陶瓷金属复合热防护系统及钎接界面润湿填缝行为预测方法技术方案

一种陶瓷金属复合热防护系统及钎接界面润湿填缝行为预测方法，该系统包括上层蜂窝板、中层陶瓷绝热层和下层蜂窝板，相邻层以焊接方式相连接，所述上层蜂窝板材料为锆基高温合金，蜂窝单胞为等壁厚正六边形，蜂窝单胞正六边形边长为4

【技术实现步骤摘要】
陶瓷金属复合热防护系统及钎接界面润湿填缝行为预测方法


[0001]本专利技术涉及焊接领域，更确切地说，涉及一种陶瓷/金属复合热防护系统及钎接界面润湿填缝行为预测方法。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器有着极其重要的军事意义，飞行器以数倍音速与空气发生摩擦产生巨大热量，为保证飞行器内部正常运行，热防护系统应运而生。传统的超耐热合金蜂窝热防护系统，由钛合金蜂窝、氧化铝绝热层、表层钛合金箔、外层镍基高温合金以机械连接方式组成；与机械连接方式相比，焊接制造技术连接质量更轻、成本更低，符合轻量化、高强度、高韧性、柔性好设计要求。氧化铝陶瓷层、钛合金蜂窝、镍基高温合金，属于陶瓷与金属复杂结构连接，钛、镍合金与陶瓷之间线膨胀系数、理化特性差异大，高温飞行中连接界面容易产生残余热应力。
[0003]发展新概念热防护结构材料为研究目标，以锆代镍，构筑新型热防护系统，锆合金具有优良热稳定性、耐腐蚀性、延展性等优点，钎焊陶瓷材料时，熔融钎料难润湿陶瓷表面是陶瓷钎焊的难题之一，锆元素作为活性元素，相比于镍合金而言，与陶瓷有更好的可焊性。
[0004]钎焊界面的连接机制、钎料的润湿机理和界面原子的扩散行为等钎焊原理通过实验手段难以深入了解或成本较高，基于高通量方法设计高熵(非晶)钎料，研究锆合金/陶瓷/钛合金界面高熵合金(非晶)钎料的润湿填缝机制，确定钎料设计准则、精准调控界面行为、有效缓解接头残余应力、改善界面高温热防护稳定性，揭示高熵合金(非晶)钎料对锆合金/陶瓷/钛合金热防护系统界面行为与综合性能的调控机理，对于发展高超声速飞行器和新概念热防护结构材料，具有重要研究价值。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种陶瓷金属复合热防护系统钎接界面润湿填缝行为预测方法，为解决传统热防护系统中机械连接中成本高、连接质量差的问题；解决镍合金/陶瓷可焊性差，焊接后线膨胀系数差异大，产生热应力的问题，解决非晶合金钎料的润湿填缝机制研究难度大的问题。
[0006]本专利技术的目的是以下述方式实现的：
[0007]一种陶瓷金属复合热防护系统，包括上层蜂窝板、中层陶瓷绝热层和下层蜂窝板，相邻层以焊接方式相连接，所述上层蜂窝板材料为锆基高温合金，蜂窝单胞为等壁厚正六边形，壁厚为0.05
‑
0.1mm，蜂窝板高度为4
‑
8mm，蜂窝单胞正六边形边长为4
‑
6mm；所述的陶瓷绝热层为氧化铝陶瓷，厚度为40
‑
60mm；所述的下层蜂窝板材料为钛基高温合金，蜂窝单胞为等壁厚正六边形，壁厚为0.05
‑
0.1mm，蜂窝板高度为3
‑
6mm，蜂窝单胞正六边形边长为4
‑
6mm。
[0008]上述的陶瓷金属复合热防护系统，所述相邻层焊接方式为真空热塑钎焊或激光热
塑钎焊，钎焊温度高于非晶钎料在过冷液相区的结晶温度、不超过非晶钎料在过冷液相区的非晶态熔点，钎焊温度741～760℃。
[0009]上述的陶瓷金属复合热防护系统，所述相邻层之间的钎料层均为银钛铜非晶钎料层。
[0010]上述的陶瓷金属复合热防护系统，其特征在于：所述钎焊的填缝厚度为50
‑
150μm。
[0011]上述的陶瓷金属复合热防护系统的钎接界面填缝行为预测方法，包括以下步骤：
[0012]第1步：对锆合金/氧化铝陶瓷及钛合金/氧化铝陶瓷试样表面打磨、抛光、用酒精或丙酮超声清洗5～10min、烘干，再对试样进行腐蚀，并表征试样，对钎焊试样界面层的物相析出相进行表征；
[0013]第2步：根据所表征的物相析出相，建立物相模型并结构优化；第3步：对物相模型进行表面能收敛测试，计算其表面能；
[0014]第4步：建立物相界面模型，根据第一性原理数值计算结果，再计算界面黏附功；
[0015]第5步：根据第4步计算结果计算物相界面的界面能；
[0016]第6步：根据Laurent定理，预测锆合金/氧化铝陶瓷或钛合金/氧化铝陶瓷钎焊界面润湿填缝机制。
[0017]上述陶瓷金属复合热防护系统的钎接界面填缝行为预测方法，所述步骤3中的表面能计算公式为：
[0018][0019]式中，E1为析出相或氧化铝陶瓷的表面结构模型的总能量，N1为析出相或氧化铝陶瓷的表面结构模型中含有的原子数量，N2为一个析出相或氧化铝陶瓷的晶胞中含有的原子数量，E2为一个析出相或氧化铝陶瓷的晶胞模型的总能量，A为表面模型的表面面积。
[0020]上述陶瓷金属复合热防护系统的钎接界面填缝行为预测方法，所述步骤4中的界面黏附功计算公式为：
[0021]W
ad
＝(E3+E4‑
E
34
)/S
[0022]式中E3、E4分别是表征物相分子模型的能量，E
34
为界面模型的总能量，S为界面模型的界面面积。
[0023]上述陶瓷金属复合热防护系统的钎接界面填缝行为预测方法，所述步骤5中的界面能公式为：
[0024]σ＝γ1+γ2‑
W
ad
[0025]式中γ1、γ2分别是表征物相模型的表面能，W
ad
为界面模型的黏附功。
[0026]上述陶瓷金属复合热防护系统的钎接界面填缝行为预测方法，所述步骤6中所述的润湿机理判断依据为：若反应层与钎料的界面能σ1大于陶瓷与钎料的界面能σ2，则钎料润湿由自由能释放主导；相反，若反应层与钎料的界面能σ1小于陶瓷与钎料的界面能σ2，则界面能释放对润湿起到积极作用。
[0027]相对于现有技术，本专利技术能够具有以下有益效果：
[0028]一、本专利技术采用与传统热防护系统不同的连接方式，钎焊连接热防护系统中的各层隔热材料，连接质量更轻、成本更低，符合轻量化、高强度、高韧性、柔性好的设计要求。
[0029]二、本专利技术采用的锆合金具有优良热稳定性、耐腐蚀性、延展性等优点，与陶瓷材
料有更好的可焊性，线膨胀系数与陶瓷更接近，解决高温飞行中连接界面容易产生残余热应力、服役寿命短及可靠性无法保证的问题。
[0030]三、本专利技术借助第一性原理高通量计算方法高效准确预测研究锆合金/氧化铝陶瓷或钛合金/氧化铝陶瓷钎焊润湿填缝机制，解决“炒菜式”实验方法揭示钎焊润湿机制困难和高成本的问题。
[0031]四、本专利技术有机结合超塑性变形与钎焊、扩散焊的优点，以块状金属玻璃作钎料(也就是非晶钎料)，利用玻璃化转变温度和晶化温度之间存在过冷液相区的非晶合金作为中间钎料层，通过在过冷液相区(741～760℃)超塑性流动获得预键合，再通过适当扩散处理(不超过非晶态熔点、高于结晶温度)实现热防护系统的冶金结合。
[0032]五、本专利技术新型非晶钎料具有排列整齐的原子结构、无晶界，使得液态钎料无缝可钻，连接后热防护系统异质连接界面残余应力得到有效缓解；同时热塑钎焊，整体属于固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷金属复合热防护系统，其特征在于：包括上层蜂窝板(1)、中层陶瓷绝热层(2)和下层蜂窝板(3)，相邻层以焊接方式相连接，所述上层蜂窝板材料为锆基高温合金，蜂窝单胞为等壁厚正六边形，壁厚为0.05
‑
0.1mm，蜂窝板高度为4
‑
8mm，蜂窝单胞正六边形边长为4
‑
6mm；所述的陶瓷绝热层为氧化铝陶瓷，厚度为40
‑
60mm；所述的下层蜂窝板材料为钛基高温合金，蜂窝单胞为等壁厚正六边形，壁厚为0.05
‑
0.1mm，蜂窝板高度为3
‑
6mm，蜂窝单胞正六边形边长为4
‑
6mm。2.根据权利要求1所述的陶瓷金属复合热防护系统，其特征在于：所述相邻层焊接方式为真空热塑钎焊或激光热塑钎焊，具体钎焊温度高于非晶钎料在过冷液相区的结晶温度、低于等于非晶钎料在过冷液相区的非晶态熔点。3.根据权利要求1所述的陶瓷金属复合热防护系统，其特征在于：所述相邻层之间的钎料层均为银钛铜非晶钎料层，钎焊温度741～760℃。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的陶瓷金属复合热防护系统，其特征在于：所述钎焊的填缝厚度为50
‑
150μm。5.一种权利要求1
‑
4中任一项所述的陶瓷金属复合热防护系统的钎接界面填缝行为预测方法，其特征在于：包括以下步骤：第1步：对锆合金/氧化铝陶瓷及钛合金/氧化铝陶瓷试样表面打磨、抛光、用酒精或丙酮超声清洗5～10min、烘干，再对试样进行腐蚀，并表征试样，对钎焊试样界面层的物相析出相进行表征；第2步：根据所表征的物相析出相，建立物相模型并结构优化；第3步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星星，吴港，李帅，崔大田，潘昆明，王非凡，高飞，何鹏，方乃文，陈玉华，彭进，倪增磊，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：