一种C/C复合材料与高温合金的低应力耐高温连接方法技术

本发明专利技术提供一种C/C复合材料与高温合金的低应力耐高温连接方法，包括：以Ni

【技术实现步骤摘要】
一种C/C复合材料与高温合金的低应力耐高温连接方法


[0001]本专利技术涉及复合材料与金属连接
，特别涉及一种C/C复合材料与高温合金的低应力耐高温连接方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强碳基复合材料(C/C复合材料)具有低密度、耐高温、抗热震、高温下高强度等优异性能，是制造燃烧室部件、火箭喷管、高超音速飞行器热防护结构等的理想材料，在新一代战略导弹和航空航天发动机上具有重要的应用价值。然而，C/C复合材料的延展性和冲击韧性较差，且机械加工困难，应用中通常需要与金属连接形成复合结构。随着C/C复合材料制备工艺的成熟和性能的提升，其在航空航天和先进武器系统中的应用日益广泛，研究和发展C/C复合材料与金属尤其是高温合金的可靠连接技术已经成为我国新一代高性能发动机研制领域的重要课题。
[0003]近年来，关于C/C复合材料与金属的连接国内外已有一些研究报道，从连接的材料组配和应用背景来分析，发动机用C/C复合材料与金属的连接主要存在以下问题：1)C/C复合材料很难熔化形成液相，且与金属冶金相容性极差，无法直接进行熔化焊接；2)C/C复合材料与金属之间存在较大的热膨胀系数差异，连接往往会形成较大的热应力，导致接头强度降低甚至直接开裂；3)在发动机推力室中，C/C复合材料与金属的连接接头通常在高温环境下服役，耐温要求较高(往往在1200℃以上)。目前，能够实现C/C复合材料与金属连接的方法主要有扩散焊和钎焊两大类。扩散焊方法虽然可以实现C/C复合材料与金属的连接，但连接热应力大，接头性能不稳定；而且连接过程中需要施加较大压力，结构适应性较差，很难实现实际大尺寸或复杂构件的连接。相比之下，钎焊类方法工艺简单、无需压力、结构适应性强，是发动机用C/C复合材料与金属连接的最适当方法。但传统钎焊也存在连接热应力问题，而且接头耐高温能力较差，难以满足C/C复合材料与金属连接的实际应用要求。为了缓解钎焊接头的热应力，提高其高温性能，国内外在传统钎焊的基础上发展了复合钎焊方法。
[0004]研究表明，复合钎焊通过向传统钎料(如Ag
‑
Cu
‑
Ti、Ti
‑
Zr
‑
Cu
‑
Ni、Ag
‑
Ti等)中添加一定比例的低热膨胀系数增强相来调节连接层的热膨胀系数，如SiC等，可以有效地缓解连接热应力，提高接头强度；并且添加增强相还可以在一定程度上提高接头的高温强度。但是，受低熔金属钎料基体耐热温度(起始液化温度)的制约，现有的“直接外加增强相”形式的复合钎焊虽然可以在一定程度上改善接头的高温性能，却仍然无法从根本上提高接头的耐热温度。以采用Ag
‑
Cu
‑
Ti作为基体钎料进行复合钎焊为例，其接头最高耐温不超过800℃。理论上，采用高熔点的钎料可以提高接头的高温性能和耐热温度，但高的钎焊温度会大大增加连接热应力，对C/C复合材料与高温合金等大热失配异质材料的连接尤为不利。综上所述，如何在复合钎焊降低连接热应力的同时，兼容解决接头耐高温问题，实现“低应力/耐高温”连接，是C/C复合材料与高温合金连接亟待突破的瓶颈问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是要兼容地解决C/C复合材料(即碳纤维增强碳基复合材料)与高温合金连接存在的“连接热应力大”和“接头耐高温性能差”问题，提供一种基于(Ni
‑
Ti)+C
→
TiC+Ni反应原位合成TiC/Ni复合连接层的低应力耐高温连接方法。
[0006]一种C/C复合材料与高温合金的低应力耐高温连接方法，包括：
[0007]以Ni
‑
Ti合金粉与碳基粉的混合粉末作为连接材料，在较低连接温度下，Ni
‑
Ti合金粉熔化形成的液体在C/C复合材料与高温合金的焊缝间隙内与碳基粉发生原位反应，形成TiC颗粒强化的Ni基固溶体基复合连接层。
[0008]通过以低熔Ni
‑
Ti合金粉与碳基粉的混合粉末作为连接材料，在连接温度下，低熔Ni
‑
Ti合金粉将熔化形成液相，润湿待焊母材(即C/C复合材料与高温合金)并填充焊缝间隙；碳基粉在连接温度下与Ni
‑
Ti液相中的降熔元素Ti反应原位合成TiC，使连接层发生等温凝固，最终形成TiC颗粒强化的Ni基固溶体基复合连接层，即TiC/Ni复合连接层。所述连接方法可通过(Ni
‑
Ti)+C
→
TiC+Ni反应，向连接层中引入低热膨胀TiC增强相缓解连接热应力的同时，快速消耗Ni
‑
Ti合金钎料中的降熔元素Ti，形成具有较高耐热温度的Ni基固溶体基体，因此能够实现C/C复合材料与高温合金的低应力耐高温连接。
[0009]可选地，所述方法包括：
[0010]步骤S1、准备待焊母材：打磨C/C复合材料和高温合金的待焊面，去除表面杂物及氧化膜，并将C/C复合材料和高温合金清洗干净，烘干备用；
[0011]步骤S2、调制连接材料：按比例称取Ni
‑
Ti合金粉和碳基粉并混合均匀形成混合粉末，然后加入适量有机溶剂搅拌均匀，调制呈膏状；
[0012]步骤S3、预置连接材料：将调制好的膏状连接材料均匀地预置在C/C复合材料与高温合金待焊面之间，轻压使连接材料与两种待焊母材(即C/C复合材料与高温合金)充分接触形成待焊件，连接材料即为预置层；
[0013]步骤S4、真空连接：将待焊件放入真空钎焊炉中并将炉抽至真空，然后升温至连接温度，保温一段时间后缓慢将炉冷却至室温。
[0014]可选地，步骤S1中，用240～600目砂纸打磨待焊面；使用酒精并在超声清洗机中清洗C/C复合材料和高温合金2
‑
3次；烘干在真空干燥箱中进行，烘干温度为40
‑
60℃，烘干时间为10
‑
30min。
[0015]可选地，步骤S2中，Ni
‑
Ti合金粉中Ti原子的百分含量为15～40％，粒度为10～30μm，此种条件的Ni
‑
Ti具有低的熔点，能在连接温度下形成液相，有利于与碳基粉进行反应，并利于使连接层发生等温凝固，合金粉优选Ni62Ti38。
[0016]可选地，步骤S2中，碳基粉的粒度为2～5μm，碳基粉选自金刚石、石墨和碳纤维中在至少一种；混合粉末中碳基粉的质量分数为1％～6％。
[0017]可选地，步骤S2中，有机溶剂选自乙醇、α
‑
松油醇、汽油
‑
橡胶中是至少一种，优选α
‑
松油醇。
[0018]可选地，步骤S3中，预置层厚度为0.4
‑
0.7mm。
[0019]可选地，步骤S4中，将炉抽至真空至不高于5
×
10
‑3Pa。
[0020]可选地，步骤S4中，升温至连接温度过程为：以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种C/C复合材料与高温合金的低应力耐高温连接方法，其特征在于，包括：以Ni
‑
Ti合金粉与碳基粉的混合粉末作为连接材料，在较低连接温度下，Ni
‑
Ti合金粉熔化形成的液体在C/C复合材料与高温合金的焊缝间隙内与碳基粉发生原位反应，形成TiC颗粒强化的Ni基固溶体基复合连接层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1、准备待焊母材：打磨C/C复合材料和高温合金的待焊面，并将C/C复合材料和高温合金清洗干净，烘干备用；步骤S2、调制连接材料：按比例称取Ni
‑
Ti合金粉和碳基粉并混合均匀形成混合粉末，然后加入适量有机溶剂搅拌均匀，调制呈膏状；步骤S3、预置连接材料：将调制好的膏状连接材料均匀地预置在C/C复合材料与高温合金待焊面之间，轻压使连接材料与两种待焊母材充分接触形成待焊件，连接材料即为预置层；步骤S4、真空连接：将待焊件放入真空钎焊炉中并将炉抽至真空，然后升温至连接温度，保温一段时间后缓慢将炉冷却至室温。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，用240～600目砂纸打磨待焊面；使用酒精并在超声清洗机中清洗C/C复合材料和高温合金2
‑
3次；烘干在真空干燥箱中进行，烘干温度为40
‑
60℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：王万里，黄继华，候志行，叶政，杨健，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：