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淺談碳碳復(fù)合材料和高溫合金的焊接

    高溫合金抗氧化性能好，抗熱腐蝕性能優(yōu)異，工作溫度高，組織穩(wěn)定且有害相少，能在較高溫度與應(yīng)力的環(huán)境下工作，它廣泛地應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各類燃?xì)廨啓C(jī)的最熱端部件，如渦輪部分的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等部件。C/C復(fù)合材料在室溫時(shí)強(qiáng)度較低且制備周期長(zhǎng)、成本高，而C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金連接后質(zhì)量輕、承載能力高、高溫壽命長(zhǎng)。鎳基釬料是C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金釬焊的最常用釬料。

    吳永智等人使用BNi68CrWB釬料釬焊C/C復(fù)合材料和GH600高溫合金。釬焊溫度為1 150 ～1 200 ℃，保溫10 min。試驗(yàn)表明，Ni不與C形成化合物，該釬焊溫度也達(dá)不到Si與C的反應(yīng)溫度。接頭處主要是Ni與Si，Cr與C發(fā)生反應(yīng)形成化合物促進(jìn)釬料與母材的潤(rùn)濕。焊后接頭室溫剪切強(qiáng)度為50 MPa，在700 ℃下的剪切強(qiáng)度為22 MPa。接頭斷裂破壞的主要因素為各部分材料熱膨脹系數(shù)差距較大導(dǎo)致的受熱位錯(cuò)。在釬焊過程中，B由于無法向C/C復(fù)合材料擴(kuò)散，反而與W在釬料母材界面處形成大塊不均勻的WB化合物也是導(dǎo)致斷裂的原因。接頭的高溫剪切強(qiáng)度受C/C復(fù)合材料氧化的影響而下降。

    C/C復(fù)合材料與高溫合金不互溶，熱膨脹系數(shù)差異大，因此直接將C/C復(fù)合材料與高溫合金連接在一起效果并不理想。對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行表面處理或者在釬料中添加一些促進(jìn)潤(rùn)濕的物質(zhì)能夠改善釬焊接頭的強(qiáng)度。

     郭領(lǐng)軍等人 使用Ni-Ti粉末作為連接材料真空擴(kuò)散連接C/C復(fù)合材料和GH3128高溫合金，一組C/C復(fù)合材料表面不作處理，一組C/C復(fù)合材料表面涂敷SiC涂層。擴(kuò)散焊加熱溫度為1 050～1 250 ℃，加壓8～20 MPa，保溫60 min。結(jié)果發(fā)現(xiàn)未涂敷SiC涂層時(shí)，所獲得的接頭抗剪強(qiáng)度幾乎為0；而涂敷SiC涂層時(shí)，在不同的加熱溫度下，接頭的剪切強(qiáng)度差距較大，在加熱溫度為1 170 ℃時(shí)可以獲得剪切強(qiáng)度為23 MPa的接頭，而在1 130～1 150 ℃時(shí)，接頭有明顯的裂紋缺陷，因此剪切強(qiáng)度較低。經(jīng)過分析，SiC涂層一方面能夠增強(qiáng)Ti,Ni等元素對(duì)C/C復(fù)合材料的潤(rùn)濕性，另一方面可緩解因C/C復(fù)合材料與GH3128高溫合金熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

    田曉羽等人通過添加TiH2的BNi2粉狀釬料釬焊C/C復(fù)合材料和GH99鎳基高溫合金，釬焊溫度為1 170 ℃，保溫時(shí)間為1 h，分別采用含TiH2量為1%,3%,8%的釬料進(jìn)行釬焊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)釬料中含TiH2量為3%時(shí)獲得的接頭性能最好。原因在于TiH2中的Ti能夠促進(jìn)C/C復(fù)合材料向釬縫中的擴(kuò)散，產(chǎn)生彌散的MC顆粒，降低C/C復(fù)合材料基體與釬縫的不匹配程度，緩

    解殘余應(yīng)力；但釬料中TiH2含量過多時(shí)，釬縫中會(huì)產(chǎn)生大量的片狀TiC，降低接頭的塑性變形能力。采用含3% TiH2的BNi2釬料進(jìn)行釬焊時(shí)獲得的接頭抗剪強(qiáng)度在室溫為40 MPa，在800 ℃可達(dá)19 MPa，明顯高于僅用BNi2釬料進(jìn)行釬焊獲得的接頭。

     張?chǎng)蔚热耸褂肂Ni5釬料真空釬焊C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金GH3044，釬料呈粉狀，釬焊溫度為1 180 ℃，保溫30 min。進(jìn)行兩組試驗(yàn)，其中一組C/C復(fù)合材料表面SiC改性，另一組復(fù)合材料表面不作處理。結(jié)果表明，使用BNi5釬料可以成功焊接經(jīng)過表面SiC改性的C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金GH3044，而焊接未經(jīng)表面改性的C/C復(fù)合材料時(shí)在C/C復(fù)合材料與釬料界面會(huì)產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過分析，一方面SiC涂層有效的減緩了C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)相差較大產(chǎn)生的熱應(yīng)力；另一方面，釬料與表面改性的C/C復(fù)合材料反應(yīng)形成的中間層具有一定的韌塑性致使斷裂發(fā)生在C/C復(fù)合材料一側(cè)。獲得的接頭常溫下剪切強(qiáng)度達(dá)到35.08 MPa，接頭界面為C/C/Ni(s.s)+Cr7C3+Ni3Si/Ni(s.s)+Cr3C2+Ni3Si/Ni(s.s)+Cr3C2+MC+Ni3Si/Ni3Si+MC+Ni(s.s)/GH3044,s.s表示固溶體。

     沈元?jiǎng)椎热送ㄟ^Ag-Cu釬料釬焊C/C復(fù)合材料和鎳基高溫合金，鎳基高溫合金的成分為Ni-20Cr-8W-7.5Mo-2Fe-0.6Al-0.5Ti (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。Al2O3夾層的厚度為2 mm，釬料為箔狀A(yù)g-28Cu，厚度為250 μm。進(jìn)行三組試驗(yàn)，第一組不使用Al2O3夾層直接釬焊；第二組在兩層釬料中夾持Al2O3層；第三組不僅在兩層釬料中夾持Al2O3層而且對(duì)C/C復(fù)合材料表面進(jìn)行激光打孔處理。釬焊溫度為910 ℃，保溫10 min。焊后第一組接頭彎曲強(qiáng)度只有16 MPa，第二組接頭彎曲強(qiáng)度為33 MPa，第三組接頭彎曲強(qiáng)度為73 MPa，這說明添加Al2O3夾層，對(duì)C/C復(fù)合材料表面進(jìn)行打孔處理均能提高釬焊接頭的彎曲強(qiáng)度。經(jīng)過分析，不加Al2O3夾層的焊后接頭由于殘余應(yīng)力大導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度非常低，添加Al2O3夾層能夠獲得結(jié)合良好且韌性高的接頭的原因在于Al2O3夾層能夠有效防止Ni和Ti的擴(kuò)散及反應(yīng)，降低接頭的殘余應(yīng)力；對(duì)C/C復(fù)合材料表面進(jìn)行激光打孔，使表面呈波浪形能夠增大連接面積，降低殘余應(yīng)力，同時(shí)在母材表面的小孔處釬焊形成的針狀物提高了對(duì)C/C復(fù)合材料的連接強(qiáng)度。

     目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金的釬焊研究。C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金釬焊的主要問題有：①鎳對(duì)C/C復(fù)合材料的潤(rùn)濕性差；②鎳基釬料與C/C復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)差異較大，易引發(fā)連接界面處的裂紋。

      針對(duì)上述問題，目前通常采用的主要措施為對(duì)母材進(jìn)行表面改性，進(jìn)行SiC表面改性等方式可以促進(jìn)釬料與母材的潤(rùn)濕，同時(shí)可以緩解C/C復(fù)合材料與高溫合金因熱膨脹差異較大產(chǎn)生的熱應(yīng)力。另外通過優(yōu)化釬料添加成分或使用過渡層的方式能夠有效緩解焊接殘余應(yīng)力。更多碳碳復(fù)合材料信息可查看http://sunkanghua.cn