碳纤维布中间层辅助钎焊表面合金化C/SiC与Nb工艺及机理研究
发布时间：2021-11-11 17:16
C/SiC复合材料具有高强度、高硬度和耐磨性,同时还具备优秀的高温以及抗氧化性能,在材料断裂过程中通过增强纤维的拔出、偏转和断裂吸收能量,与传统Si C相比具有更好的断裂韧性,被广泛应用于航空航天领域。C/Si C常与高温金属Nb相连以满足实际应用需求,但由于母材之间、母材与钎料之间的物理、化学属性相差较大,焊后常出现较大的残余应力,且复合材料侧界面反应层薄弱,为了解决上述问题,本文采用对C/Si C进行表面金属化处理,通过内部渗入层调节热膨胀系数从而减小残余应力,并对金属化层的结构进行优化,加之采用表面W增强的碳纤维编织布中间层辅助钎焊等方法对接头质量进行优化,最终获得高质量的钎焊接头。为了解决母材之间属性差异大从而导致焊后残余应力过大的问题,本文采用Ni-Cr-Si系合金对C/Si C表面进行表面金属化处理,其中金属化合金在C/Si C表面的润湿性随Cr元素含量的提高而提高。Ni、Cr元素渗入内部形成渗入层,起到了热膨胀系数梯度过渡作用。表面金属化层主要由Ni、Cr、Si发生金属化反应生成的二元及三元化合物,具有一定的脆性且呈连续分布状态。通过有限元应力模拟发现,C/Si C内部渗...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AgCu钎料钎焊C/SiC-TiAl接头界面结构[27]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-易于被熔化的金属润湿[26]。由于活性元素在高温下容易被氧化，导致活性元素的活性大大下降，因此真空环境对于活性钎焊是必要的。Yang等人[27]在钎焊C/SiC与TiAl合金时，由于母材中的Ti元素在钎焊过程中会过量溶解于钎料中，于是其采用AgCu钎料钎焊C/SiC与TiAl合金，组织图如1-1所示，在金属一侧，由于Ti元素的溶解形成了致密的反应层TiC+Ti5Si3，而焊缝主要由AgCu固溶体以及AlCu2Ti组成，在900℃保温10min的钎焊工艺下，剪切强度可达到85MPa。图1-1AgCu钎料钎焊C/SiC-TiAl接头界面结构[27](a)焊缝整体界面结构;(b)TiAl侧界面结构;(c)C/SiC侧反应层在采用活性元素进行异种材料的钎焊时，残余应力的出现不利于接头承载时的应力释放，导致接头强度下降。对陶瓷表面进行处理后，能够在钎焊过程中调节接头处的应力集中分布状态，有利于提高接头强度。Tian等人[28]对C/SiC复合材料表面进行机械打孔，钎焊组织形貌如图1-2所示。钎料在钎焊时渗入C/SiC表面的空隙中，与母材自身形成钉扎效应，在接头附近形成一个残余应力的梯度过渡区，因此可以调控接头附近的残余应力分布状态，提高接头性能。机械表面处理后的接头强度明显高于未处理的陶瓷接头剪切强度。然而这种方式对于增强纤维增强的复合陶瓷来说，机械孔洞过大，容易破坏复合材料内部本身的增强纤维，从而降低母材自身的承载能力。图1-2TiNi钎料钎焊C/SiC-Nb接头[28](a)接头界面结构;(b)不同表面状态以及钎焊温度下接头剪切强度
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-1.3C/SiC复合陶瓷与金属的钎焊连接研究现状对于活性钎焊连接异种材料时，由于两种材料之间的热膨胀系数差异导致焊后往往在接头处出现较大的残余应力，为了降低这种残余应力，可以采用更加合适的活性钎料体系，在保证获得良好焊缝的基础上，进一步改善接头性能，降低接头应力。除此之外，还可以添加增强相或者缓解应力的中间层，一般可以采用一些低强度高延性的金属元素如Cu、Al、Ni等，也可以采用与母材具有相近热膨胀系数的金属元素如Mo、W等，作为残余应力的释放区域，进一步提高接头强度。1.3.1活性钎料钎焊C/SiC复合陶瓷与金属由于不同金属元素在SiC表面的润湿情况不同，将润湿性较好的一类金属元素成为第一类润湿，包括Ag、Cu等，它们均能在光滑的SiC表面润湿。Rado等人[29]探究了Ag元素在SiC表面的润湿情况随温度的变化，并指出在1100℃-1200℃之间，Ag在SiC表面的最终润湿角为120°。根据这些元素的润湿情况，陆艳杰等人[30]用Ag-Cu-Ti活性钎料对C/SiC复合陶瓷与金属Nb进行真空钎焊，结果表明，如图1-3(a)所示，Ti含量增加，可使Ag-Cu-Ti钎料对C/SiC复合陶瓷的润湿性增加。如图1-3(b)所示，Ag-Cu-Ti2.5活性钎料直接钎焊C/SiC复合陶瓷与Nb合金时，陶瓷一侧出现未焊合裂纹和孔洞。Mo颗粒的加入，使得钎料热膨胀系数得到调控，有效缓解了焊接热应力，连接界面及基体中无裂缝、孔洞等缺陷，连接件气密性良好。Ali等人[31]研究了AgCuTi体系钎料在陶瓷表面的润湿机理，揭示了其中的反应润湿机制，同时指出高Ti含量有利于钎料的润湿铺展与界面结合。图1-3AgCuTi钎焊C/SiC-Nb接头界面结构[30](a)Ti含量对润湿角的影响;(b)Ag-Cu-Ti活性钎料与陶瓷界面
【参考文献】：
期刊论文
[1]自蔓延高温连接技术研究进展[J]. 曹健,何鹏,冯吉才,钱国统. 焊接. 2009 (04)
[2]C/SiC复合陶瓷与铌合金的活性钎焊[J]. 陆艳杰,张小勇,楚建新,刘鑫,方针正. 稀有金属. 2008(05)
[3]反应复合钎焊Cf-SiC/Cu-Ti-C/TC4接头组织结构[J]. 王志平,黄继华,班永华,熊进辉,张华,赵兴科. 材料工程. 2008(09)
[4]Cf/SiC陶瓷基复合材料的制备工艺研究[J]. 周长城,张长瑞,胡海峰,张玉娣,王志毅. 稀有金属材料与工程. 2007(S1)
[5]聚硅氧烷连接RBSiC陶瓷[J]. 刘洪丽,李树杰,陈志军. 稀有金属材料与工程. 2006(01)
[6]先驱体硅树脂高温连接Cf/SiC复合材料——惰性及活性填料对连接性能的影响[J]. 所俊,陈朝辉,郑文伟,韩卫敏. 复合材料学报. 2005(04)
[7]Cf/SiC陶瓷基复合材料的发展与应用现状[J]. 张玉娣,周新贵,张长瑞. 材料工程. 2005(04)
[8]陶瓷与金属的连接方法及应用[J]. 刘会杰,冯吉才. 焊接. 1999(06)
硕士论文
[1]C/SiC复合材料与GH99的钎焊工艺及机理研究[D]. 张若蘅.哈尔滨工业大学 2015
[2]C/SiC复合材料与TC4钛合金的钎焊工艺及机理研究[D]. 郑瑞青.哈尔滨工业大学 2015
[3]Cf/SiC复合材料与Nb的钎焊工艺与机理研究[D]. 盛艳萍.哈尔滨工业大学 2012
[4]C/SiC复合材料与Nb的钎焊工艺及机理研究[D]. 刘玉章.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3489213
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AgCu钎料钎焊C/SiC-TiAl接头界面结构[27]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-易于被熔化的金属润湿[26]。由于活性元素在高温下容易被氧化，导致活性元素的活性大大下降，因此真空环境对于活性钎焊是必要的。Yang等人[27]在钎焊C/SiC与TiAl合金时，由于母材中的Ti元素在钎焊过程中会过量溶解于钎料中，于是其采用AgCu钎料钎焊C/SiC与TiAl合金，组织图如1-1所示，在金属一侧，由于Ti元素的溶解形成了致密的反应层TiC+Ti5Si3，而焊缝主要由AgCu固溶体以及AlCu2Ti组成，在900℃保温10min的钎焊工艺下，剪切强度可达到85MPa。图1-1AgCu钎料钎焊C/SiC-TiAl接头界面结构[27](a)焊缝整体界面结构;(b)TiAl侧界面结构;(c)C/SiC侧反应层在采用活性元素进行异种材料的钎焊时，残余应力的出现不利于接头承载时的应力释放，导致接头强度下降。对陶瓷表面进行处理后，能够在钎焊过程中调节接头处的应力集中分布状态，有利于提高接头强度。Tian等人[28]对C/SiC复合材料表面进行机械打孔，钎焊组织形貌如图1-2所示。钎料在钎焊时渗入C/SiC表面的空隙中，与母材自身形成钉扎效应，在接头附近形成一个残余应力的梯度过渡区，因此可以调控接头附近的残余应力分布状态，提高接头性能。机械表面处理后的接头强度明显高于未处理的陶瓷接头剪切强度。然而这种方式对于增强纤维增强的复合陶瓷来说，机械孔洞过大，容易破坏复合材料内部本身的增强纤维，从而降低母材自身的承载能力。图1-2TiNi钎料钎焊C/SiC-Nb接头[28](a)接头界面结构;(b)不同表面状态以及钎焊温度下接头剪切强度
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-1.3C/SiC复合陶瓷与金属的钎焊连接研究现状对于活性钎焊连接异种材料时，由于两种材料之间的热膨胀系数差异导致焊后往往在接头处出现较大的残余应力，为了降低这种残余应力，可以采用更加合适的活性钎料体系，在保证获得良好焊缝的基础上，进一步改善接头性能，降低接头应力。除此之外，还可以添加增强相或者缓解应力的中间层，一般可以采用一些低强度高延性的金属元素如Cu、Al、Ni等，也可以采用与母材具有相近热膨胀系数的金属元素如Mo、W等，作为残余应力的释放区域，进一步提高接头强度。1.3.1活性钎料钎焊C/SiC复合陶瓷与金属由于不同金属元素在SiC表面的润湿情况不同，将润湿性较好的一类金属元素成为第一类润湿，包括Ag、Cu等，它们均能在光滑的SiC表面润湿。Rado等人[29]探究了Ag元素在SiC表面的润湿情况随温度的变化，并指出在1100℃-1200℃之间，Ag在SiC表面的最终润湿角为120°。根据这些元素的润湿情况，陆艳杰等人[30]用Ag-Cu-Ti活性钎料对C/SiC复合陶瓷与金属Nb进行真空钎焊，结果表明，如图1-3(a)所示，Ti含量增加，可使Ag-Cu-Ti钎料对C/SiC复合陶瓷的润湿性增加。如图1-3(b)所示，Ag-Cu-Ti2.5活性钎料直接钎焊C/SiC复合陶瓷与Nb合金时，陶瓷一侧出现未焊合裂纹和孔洞。Mo颗粒的加入，使得钎料热膨胀系数得到调控，有效缓解了焊接热应力，连接界面及基体中无裂缝、孔洞等缺陷，连接件气密性良好。Ali等人[31]研究了AgCuTi体系钎料在陶瓷表面的润湿机理，揭示了其中的反应润湿机制，同时指出高Ti含量有利于钎料的润湿铺展与界面结合。图1-3AgCuTi钎焊C/SiC-Nb接头界面结构[30](a)Ti含量对润湿角的影响;(b)Ag-Cu-Ti活性钎料与陶瓷界面
【参考文献】：
期刊论文
[1]自蔓延高温连接技术研究进展[J]. 曹健,何鹏,冯吉才,钱国统. 焊接. 2009 (04)
[2]C/SiC复合陶瓷与铌合金的活性钎焊[J]. 陆艳杰,张小勇,楚建新,刘鑫,方针正. 稀有金属. 2008(05)
[3]反应复合钎焊Cf-SiC/Cu-Ti-C/TC4接头组织结构[J]. 王志平,黄继华,班永华,熊进辉,张华,赵兴科. 材料工程. 2008(09)
[4]Cf/SiC陶瓷基复合材料的制备工艺研究[J]. 周长城,张长瑞,胡海峰,张玉娣,王志毅. 稀有金属材料与工程. 2007(S1)
[5]聚硅氧烷连接RBSiC陶瓷[J]. 刘洪丽,李树杰,陈志军. 稀有金属材料与工程. 2006(01)
[6]先驱体硅树脂高温连接Cf/SiC复合材料——惰性及活性填料对连接性能的影响[J]. 所俊,陈朝辉,郑文伟,韩卫敏. 复合材料学报. 2005(04)
[7]Cf/SiC陶瓷基复合材料的发展与应用现状[J]. 张玉娣,周新贵,张长瑞. 材料工程. 2005(04)
[8]陶瓷与金属的连接方法及应用[J]. 刘会杰,冯吉才. 焊接. 1999(06)
硕士论文
[1]C/SiC复合材料与GH99的钎焊工艺及机理研究[D]. 张若蘅.哈尔滨工业大学 2015
[2]C/SiC复合材料与TC4钛合金的钎焊工艺及机理研究[D]. 郑瑞青.哈尔滨工业大学 2015
[3]Cf/SiC复合材料与Nb的钎焊工艺与机理研究[D]. 盛艳萍.哈尔滨工业大学 2012
[4]C/SiC复合材料与Nb的钎焊工艺及机理研究[D]. 刘玉章.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3489213
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