C/C与Ti6Al4V钎焊连接工艺及机理研究
发布时间：2020-12-10 23:11
随着航空航天领域的快速发展,碳/碳（C/C）复合材料在该领域的应用需求大幅度提升,但是由于C/C在制备复杂构件的过程中受到预制体成形技术、致密化工艺以及机械加工等的限制,制约了其在实际工程上的广泛应用。因此,将C/C与Ti6Al4V进行连接制备成复合构件,能够有效地降低复合构件的重量,提高复合构件在实际应用中的效率,并且能够进一步扩展C/C在工程中的应用范围。由于C/C与Ti6Al4V之间物化性能差异较大,尤其是两种材料的热膨胀系数与弹性模量相差较大,在钎焊降温过程中钎焊接头界面处会产生较大的残余热应力。针对此问题,本文以降低C/C与Ti6Al4V钎焊接头之间的热膨胀系数差,达到降低界面间残余热应力,提高钎焊接头的室温和高温抗剪切强度为目标,对不同增强相在钎焊接头中对界面结构和力学性能的影响进行系统的研究,揭示了不同体系钎焊接头在钎焊过程中的形成机理和剪切过程中的断裂机制。主要研究内容及结果如下:采用TiCuZrNi合金粉末钎料钎焊C/C与Ti6Al4V,研究了钎焊温度和保温时间对钎焊接头界面结构和力学性能的影响。当钎焊温度较低或者保温时间较短时,C/C一侧形成的TiC反应层厚度较薄甚...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
ITER偏滤器外靶(a)示意图；(b)原型[21]
秦优琼等人[24, 25]使用 50μm 厚的 AgCuTi 合金钎料箔片钎焊了 C/C 与 Ti6Al4V，研究表明钎焊温度和保温时间对钎焊接头的界面组织结构以及力学性能有着较大的影响。在钎焊温度为 910℃，保温时间为 10min 的钎焊工艺条件下，所制备的钎焊接头抗剪切强度最高值达到 25MPa。作者将钎焊过程中钎焊接头形成过程依据试验温度划分为五个不同的阶段：(1) 钎料与基材的物理接触阶段；(2) 原子扩散阶段；(3) 进一步扩散以及反应层的形成阶段；(4) 反应层的增厚阶段；(5)Ag(s.s)的形成和反应层的凝固阶段。研究结果发现当钎焊温度较低或者保温时间较短时，Ti、C 和 Cu 之间的反应不充分，导致钎焊接头的抗剪切强度偏低；但是，当钎焊温度过高时，反应生成大量的 TiC 和 TiCu等脆性化合物也会降低钎焊接头的抗剪切强度。在另一篇文献中，秦优琼等人[26]使用了TiZrNiCu 合金钎料钎焊 C/C 与 Ti6Al4V，为了改善钎焊接头中存在的残余应力，作者设计了以 TiZrNiCu、Cu 和 Mo 金属箔片组成的复合钎料层，根据实验结果可知，如图 1-2 所示，当使用 TiZrNiCu 钎料，在钎焊温度为 900℃，保温时间为 5min 的工艺条件下，钎焊所得的接头在 C/C 与钎料层界面处有裂纹的产生，接头的最大抗剪切强度低于5MPa；在同样的工艺条件下，使用复合钎料层时钎焊接头的抗剪切强度高达 21MPa。
第 1 章 绪论研究结果表明，虽然钎料中未含有改善钎料在 C/C 表面润湿效果的活性 Ti 元素，但是在钎焊过程中，Ti 元素能够从 Ti6Al4V 基材扩散到 C/C 表面并对其进行润湿反应。当钎焊温度为 880℃、保温时间为 10min 时，所获得的钎焊接头抗剪切强度最高值达到33MPa。为了获得更高的抗剪切强度，研究人员对 C/C 表面进行了加工，使所获得的钎焊接头既有物理连接也有化学连接。J.T. Xiong 等人[28]在 C/C 表面加工了一个矩形波槽，随后将 Ti6Al4V 合金在 1680-1710℃的高温下熔敷在 C/C 表面，最后在 900℃的钎焊温度下再将其与 Ti6Al4V 基材进行连接，所获得的抗剪切强度高达 41.63MPa，而未加工的C/C 无法与 Ti6Al4V 达到有效的连接效果，如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4石油管材的应用现状和发展前景[J]. 谢林均,刘伟. 中国钛业. 2017(01)
[2]C/C复合材料与镍基高温合金GH3128钎焊[J]. 冯贞伟,高腾飞,邵天威,郭伟,朱颖,曲平. 焊接学报. 2015(12)
[3]工程应用C/C复合材料的性能分析与展望[J]. 苏君明,周绍建,李瑞珍,肖志超,崔红. 新型炭材料. 2015(02)
[4]Ni71CrSi中间层钎焊连接C/C复合材料与镍基高温合金GH3044[J]. 张鑫,史小红,王杰,李贺军,李克智. 中国材料进展. 2013(11)
[5]C/C复合材料在高超声速飞行器中的应用[J]. 刘剑,刘伟强,王琴. 飞航导弹. 2013(05)
[6]Cu-Ti+Mo连接2D C/SiC复合材料与GH783的接头微结构与性能[J]. 王兴,成来飞,范尚武,张立同. 稀有金属材料与工程. 2012(09)
[7](Ag-Cu-Ti)+（Ti+C）复合钎料钎焊Cf/SiC复合材料与TC4钛合金[J]. 薛行雁,龙伟民,黄继华,熊进辉. 焊接. 2011 (03)
[8]碳纳米管增强YAST微晶玻璃连接C/C复合材料与LAS陶瓷[J]. 强琪,李克智,高全明,宋强,王杰. 固体火箭技术. 2010(04)
[9]C/C复合材料与镍基高温合金连接接头断裂机制的研究[J]. 郭琛,郭领军,李贺军,李克智. 兵器材料科学与工程. 2009(03)
[10]Ag-Cu-Ti钎焊金刚石的界面结构及热应力分析[J]. 卢金斌,徐九华. 稀有金属材料与工程. 2009(04)
博士论文
[1]C/C复合材料与TC4钎焊接头组织及性能研究[D]. 秦优琼.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]C/C复合材料活性钎焊接头界面组织及连接机理研究[D]. 邓利霞.中南大学 2011
[2]C/C复合材料与TiBw-TC4合金钎焊连接工艺及界面行为研究[D]. 黄超.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：2909447
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
ITER偏滤器外靶(a)示意图；(b)原型[21]
秦优琼等人[24, 25]使用 50μm 厚的 AgCuTi 合金钎料箔片钎焊了 C/C 与 Ti6Al4V，研究表明钎焊温度和保温时间对钎焊接头的界面组织结构以及力学性能有着较大的影响。在钎焊温度为 910℃，保温时间为 10min 的钎焊工艺条件下，所制备的钎焊接头抗剪切强度最高值达到 25MPa。作者将钎焊过程中钎焊接头形成过程依据试验温度划分为五个不同的阶段：(1) 钎料与基材的物理接触阶段；(2) 原子扩散阶段；(3) 进一步扩散以及反应层的形成阶段；(4) 反应层的增厚阶段；(5)Ag(s.s)的形成和反应层的凝固阶段。研究结果发现当钎焊温度较低或者保温时间较短时，Ti、C 和 Cu 之间的反应不充分，导致钎焊接头的抗剪切强度偏低；但是，当钎焊温度过高时，反应生成大量的 TiC 和 TiCu等脆性化合物也会降低钎焊接头的抗剪切强度。在另一篇文献中，秦优琼等人[26]使用了TiZrNiCu 合金钎料钎焊 C/C 与 Ti6Al4V，为了改善钎焊接头中存在的残余应力，作者设计了以 TiZrNiCu、Cu 和 Mo 金属箔片组成的复合钎料层，根据实验结果可知，如图 1-2 所示，当使用 TiZrNiCu 钎料，在钎焊温度为 900℃，保温时间为 5min 的工艺条件下，钎焊所得的接头在 C/C 与钎料层界面处有裂纹的产生，接头的最大抗剪切强度低于5MPa；在同样的工艺条件下，使用复合钎料层时钎焊接头的抗剪切强度高达 21MPa。
第 1 章 绪论研究结果表明，虽然钎料中未含有改善钎料在 C/C 表面润湿效果的活性 Ti 元素，但是在钎焊过程中，Ti 元素能够从 Ti6Al4V 基材扩散到 C/C 表面并对其进行润湿反应。当钎焊温度为 880℃、保温时间为 10min 时，所获得的钎焊接头抗剪切强度最高值达到33MPa。为了获得更高的抗剪切强度，研究人员对 C/C 表面进行了加工，使所获得的钎焊接头既有物理连接也有化学连接。J.T. Xiong 等人[28]在 C/C 表面加工了一个矩形波槽，随后将 Ti6Al4V 合金在 1680-1710℃的高温下熔敷在 C/C 表面，最后在 900℃的钎焊温度下再将其与 Ti6Al4V 基材进行连接，所获得的抗剪切强度高达 41.63MPa，而未加工的C/C 无法与 Ti6Al4V 达到有效的连接效果，如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4石油管材的应用现状和发展前景[J]. 谢林均,刘伟. 中国钛业. 2017(01)
[2]C/C复合材料与镍基高温合金GH3128钎焊[J]. 冯贞伟,高腾飞,邵天威,郭伟,朱颖,曲平. 焊接学报. 2015(12)
[3]工程应用C/C复合材料的性能分析与展望[J]. 苏君明,周绍建,李瑞珍,肖志超,崔红. 新型炭材料. 2015(02)
[4]Ni71CrSi中间层钎焊连接C/C复合材料与镍基高温合金GH3044[J]. 张鑫,史小红,王杰,李贺军,李克智. 中国材料进展. 2013(11)
[5]C/C复合材料在高超声速飞行器中的应用[J]. 刘剑,刘伟强,王琴. 飞航导弹. 2013(05)
[6]Cu-Ti+Mo连接2D C/SiC复合材料与GH783的接头微结构与性能[J]. 王兴,成来飞,范尚武,张立同. 稀有金属材料与工程. 2012(09)
[7](Ag-Cu-Ti)+（Ti+C）复合钎料钎焊Cf/SiC复合材料与TC4钛合金[J]. 薛行雁,龙伟民,黄继华,熊进辉. 焊接. 2011 (03)
[8]碳纳米管增强YAST微晶玻璃连接C/C复合材料与LAS陶瓷[J]. 强琪,李克智,高全明,宋强,王杰. 固体火箭技术. 2010(04)
[9]C/C复合材料与镍基高温合金连接接头断裂机制的研究[J]. 郭琛,郭领军,李贺军,李克智. 兵器材料科学与工程. 2009(03)
[10]Ag-Cu-Ti钎焊金刚石的界面结构及热应力分析[J]. 卢金斌,徐九华. 稀有金属材料与工程. 2009(04)
博士论文
[1]C/C复合材料与TC4钎焊接头组织及性能研究[D]. 秦优琼.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]C/C复合材料活性钎焊接头界面组织及连接机理研究[D]. 邓利霞.中南大学 2011
[2]C/C复合材料与TiBw-TC4合金钎焊连接工艺及界面行为研究[D]. 黄超.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：2909447
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2909447.html
