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  簡述碳碳復(fù)合材料與其他材料的焊接研究

     C/C復(fù)合材料是一種碳纖維增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料，具有密度小、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊和優(yōu)良的摩擦性能等優(yōu)點(diǎn)，而且在2 000 ℃下強(qiáng)度隨溫度的升高而升高，既可用作高溫結(jié)構(gòu)材料，又能用作功能材料，目前在航空航天、軍工、醫(yī)學(xué)及其它眾多領(lǐng)域有著大量應(yīng)用。在航空航天工業(yè)，C/C復(fù)合材料可用于導(dǎo)彈、火箭的部件，還可用于返回艙擋熱板，飛機(jī)剎車盤及發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)管、噴嘴、葉片前緣等位置[1]。

     C/C復(fù)合材料的制備成本較高，周期長且工序繁雜，因此在不影響結(jié)構(gòu)使用性能的情況下將C/C復(fù)合材料和其它常用材料連接在一起可以降低成本、提高生產(chǎn)效率。但是C/C復(fù)合材料的焊接存在若干難題：①常用釬料對(duì)C/C復(fù)合材料基體的潤濕性較差；②C/C復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與其它異種材料及釬料的熱膨脹系數(shù)差異較大；③如何保證焊后接頭還保持C/C復(fù)合材料的高溫特性。

     C/C復(fù)合材料的連接方式有機(jī)械連接、焊接、膠接等，文中僅針對(duì)C/C復(fù)合材料的焊接展開。由于C/C復(fù)合材料的熔點(diǎn)較高，難以采用熔焊的方法，目前其主要連接方式為釬焊和擴(kuò)散焊，使用釬焊方法 焊接C/C復(fù)合材料簡便、成本低、可以大量生產(chǎn)[2]。國內(nèi)外對(duì)C/C復(fù)合材料與金屬、非金屬的焊接進(jìn)行了大量研究，文中將從C/C復(fù)合材料之間以及C/C復(fù)合材料與鈦及鈦合金、高溫合金、TiAl合金的焊接研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行論述。

1 C/C復(fù)合材料與C/C復(fù)合材料的焊接

1.1 C/C復(fù)合材料與C/C復(fù)合材料的釬焊

    釬焊是目前C/C復(fù)合材料間最主要的焊接方式。易振華等人[3]通過試驗(yàn)證明含Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～16%的Ti-Cu合金釬料對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕性最好；焊后Ti向C/C復(fù)合材料側(cè)聚集并形成TiC，降低了界面張力，提高了釬料的潤濕性。

     陳波等人[4]研究了Pd-Ni基釬料對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕性以及釬焊時(shí)的層間反應(yīng)。采用四種Pd-Ni基釬料，分別為Pd-40Ni，PdNi-(4～11)Cr，PdNi-(12～25)Cr和 Ni-33Cr-24Pd-4Si，釬料均呈粉末狀。對(duì)Ni-33Cr-24Pd-4Si釬料和C/C復(fù)合材料反應(yīng)接頭進(jìn)行金相觀察和能譜分析發(fā)現(xiàn)Cr和C/C復(fù)合材料反應(yīng)形成Cr-C反應(yīng)層，同時(shí)形成的還有Pd2Si,Pd3Si化合物，其余釬焊區(qū)域中富含Ni，缺少Pd。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Pd-40Ni，PdNi-(4～11)Cr,PdNi-(12～25)Cr,Ni-33Cr-24Pd-4Si對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕角分別為69°,75°,3°,2°，研究認(rèn)為Cr含量的提高有助于Pd-Ni基釬料對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕。

C/C復(fù)合材料釬焊構(gòu)件通常在高溫環(huán)境中使用，因此需要釬縫成分具有較高的熔點(diǎn)。M.Salvo等人[5]使用Si箔作為釬料釬焊C/C復(fù)合材料，釬焊溫度為1 400 ℃，保溫時(shí)間90 min。釬焊過程中Si與C反應(yīng)形成SiC，在靠近釬料處形成Si/SiC層，在靠近母材處形成C/SiC層，獲得的接頭剪切強(qiáng)度為22 MPa。

Ti,Si及其合金均能用于C/C復(fù)合材料的釬焊，但接頭抗氧化性較差且由于釬料基體熱膨脹系數(shù)的差異易在接頭處形成裂紋。玻璃釬料熱膨脹系數(shù)低，部分玻璃釬料熱膨脹系數(shù)非常接近C/C復(fù)合材料，但是玻璃釬料與C/C復(fù)合材料釬焊時(shí)易產(chǎn)生CO,CO2氣體，在焊縫處形成氣孔[2]。

C.lsola等人[1]使用SABB玻璃材料作為釬料釬焊C/C復(fù)合材料。SABB玻璃材料的成分為70.4SiO2-2.1Al2O3-17.5B2O3-10.0Ba0(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。因?yàn)镃/C復(fù)合材料對(duì)大部分玻璃材料均不潤濕，因此C/C復(fù)合材料表面需要經(jīng)過SiC改性，SABB玻璃對(duì)SiC的潤濕角為20°左右。將混合酒精與Si粉制成的Si漿涂抹在C/C復(fù)合材料表面，在惰性氣體保護(hù)的環(huán)境下加熱到Si熔點(diǎn)以上溫度，此時(shí)會(huì)在C/C復(fù)合材料表面形成β-SiC層，在該研究中表面改性加熱溫度為1 550 ℃，保溫1 h，升溫速度為30 ℃/min，表面β-SiC層厚度小于150 μm。采用兩種釬焊溫度曲線，分別為1 200 ℃保溫60 min升至1 300 ℃保溫5 min以及直接1 300 ℃保溫1 h，獲得的接頭室溫剪切強(qiáng)度均達(dá)到30 MPa。

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，C/C復(fù)合材料之間的釬焊可以采用以下主要方式。

(1)通過改變釬料中活性元素(Ti，Cr等)的含量提高釬料對(duì)C/C復(fù)合材料母材的潤濕性。釬焊時(shí)，這些活性元素向釬料與母材連接界面聚集，產(chǎn)生化合物形成接頭。采取這種釬焊方式會(huì)面臨釬料與母材熱膨脹系數(shù)差異較大引發(fā)裂紋的問題。

(2)使用Si或Mg2Si化合物釬料進(jìn)行釬焊。該方式主要通過反應(yīng)而非潤濕形成接頭，其優(yōu)點(diǎn)在于釬縫成分性能與母材接近，缺點(diǎn)在于反應(yīng)過程中易在釬縫附近形成氣孔，影響釬縫強(qiáng)度。

(3)通過在C/C復(fù)合材料待焊面進(jìn)行表面處理，如涂覆、燒結(jié)、沉積、打孔等，在表面形成一層焊接性更好的過渡層或者增加釬焊面積，可提高釬料對(duì)母材的潤濕作用，同時(shí)能緩解因釬料母材熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生裂紋。

1.2 C/C復(fù)合材料與C/C復(fù)合材料的其它焊接方式

擴(kuò)散焊也是C/C復(fù)合材料焊接常用的方式。相對(duì)于釬焊工藝，擴(kuò)散焊接時(shí)，中間層材料與母材元素之間的互擴(kuò)散更加劇烈。C/C復(fù)合材料間的擴(kuò)散連接時(shí)可在母材表面涂覆、沉積Mn粉等金屬粉末，一定溫度下形成碳化物連接層，繼續(xù)升溫碳化物分解，分解出的金屬元素蒸發(fā)從而生成連續(xù)的石墨連接層。硼和硼化物常被用于C/C復(fù)合材料的擴(kuò)散焊，焊接時(shí)硼與碳能夠完全反應(yīng)形成B4C，獲得的接頭在高溫環(huán)境下的剪切強(qiáng)度與C/C復(fù)合材料固有層間強(qiáng)度相當(dāng)[2]。

王杰等人[6]使用Ti-Ni-Si合金作為中間層真空擴(kuò)散焊接C/C復(fù)合材料。試驗(yàn)證明最佳的焊接參數(shù)為加熱溫度1 150 ℃，加壓30 MPa，保溫45 min，在該參數(shù)下獲得的焊接接頭平均剪切強(qiáng)度達(dá)到23.58 MPa。結(jié)果表明在連接區(qū)域發(fā)生了元素的互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，該區(qū)域化合物包括Ni4Si7Ti4，TiSi2， SiC和TiC等。在接頭處有三種裂紋形式，這些裂紋容易在層間、界面和C/C復(fù)合材料基體上產(chǎn)生。對(duì)接頭進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接頭的剪切強(qiáng)度在經(jīng)過5次熱循環(huán)之后急劇下降。分析由于Ti合金與C/C復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)差距較大，因此在熱循環(huán)下釬料母材膨脹程度不同產(chǎn)生位錯(cuò)，從而易于形成裂紋。

自蔓延連接(Combustion Joining，簡稱CJ)也被用做C/C復(fù)合材料的連接方法。它將中間層粉末或多層夾層自蔓延高溫合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量做為熱源，是C/C復(fù)合材料的連接中一種節(jié)能的方法。此連接方法類似于壓力焊，例如將基體與連接材料放置在兩個(gè)銅電極之間通過加壓加熱使材料連接。該方法目前使用的夾層有Ti-C，Si-C，Ni+Ti/Ni+Al等 [7]。

Lin Ya-Cheng 等人[8]通過自蔓延連接對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行連接。中間層材料采用鈦合金和Ni/Al粉末的混合物，連接方式如圖1所示。在連接前將工件預(yù)熱到630 K，連接初始?jí)毫? MPa，最終壓力為20～40 MPa，應(yīng)用的電流為200～400 A，持續(xù)時(shí)間5 s。經(jīng)過熱成像分析，在0.8～0.9 s的時(shí)候工件的溫度達(dá)到最高，達(dá)1 500 K。焊后工件連接處產(chǎn)生了75～100 μm、無氣孔但有大裂紋的連接層，該連接層由NiAl和TiC組成。

擴(kuò)散連接是C/C復(fù)合材料間主要的焊接方式之一。C/C復(fù)合材料間的擴(kuò)散連接與釬焊的不同點(diǎn)在于C/C復(fù)合材料間的擴(kuò)散連接更注重于通過高溫高壓下的反應(yīng)形成穩(wěn)定的中間連接層，而釬焊工藝則注重通過改變釬料活性元素的含量、母材表面改性等措施提高釬料對(duì)母材的潤濕性。

C/C復(fù)合材料的擴(kuò)散連接獲得的連接接頭高溫性能穩(wěn)定，但其通常采用高溫高壓環(huán)境下析出中間層雜質(zhì)相的方式易在連接層界面產(chǎn)生缺陷。

自蔓延連接這種新型的連接方式獲得的焊接接頭能滿足一定的強(qiáng)度要求，但這種方式易面臨焊后中間層裂紋的問題，該問題需在今后的研究中加以克服。

2. C/C復(fù)合材料與鈦及鈦合金的焊接

鈦合金比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、綜合力學(xué)性能優(yōu)異，是目前航空航天領(lǐng)域的明星材料。將鈦合金與具有優(yōu)異高溫性能的C/C復(fù)合材料連接起來能夠獲得質(zhì)量輕、高溫性能好、能夠滿足一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的連接件，在航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。銀基、鈦基釬料是C/C復(fù)合材料與鈦合金釬焊常用的釬料。

M.Singh等人[15]采用三種釬料釬焊C/C復(fù)合材料與純鈦，三種釬料分別為Cu-ABA,TiCuNi和TiCuSi，均呈箔狀，厚度約為50 μm。分析發(fā)現(xiàn)，在釬焊過程中溶質(zhì)的再分配和擴(kuò)散導(dǎo)致的冶金結(jié)合保證了釬料對(duì)基體的潤濕性。C/C復(fù)合材料中的C纖維束的取向影響了接頭的性能，采用Cu-ABA釬料能夠獲得最佳的接頭性能；C纖維束的方向垂直于Ti管軸獲得的接頭承載能力最高，C纖維束的方向平行于Ti管軸獲得的接頭承載能力最低。

郭偉等人[16]對(duì)C/C復(fù)合材料和TC4鈦合金的釬焊進(jìn)行了研究，采用的釬料為AgCu釬料(72Ag-28Cu，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。釬焊溫度820～940 ℃，保溫3～30 min。焊接時(shí)TC4鈦合金中的Ti擴(kuò)散到釬料和C/C復(fù)合材料中，提高了釬料對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕性并且和釬料、母材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。試驗(yàn)證明，可以通過AgCu釬料釬焊C/C復(fù)合材料和TC4鈦合金，接頭界面為TC4/Ti2Cu+Ti(s.s)/Ti2Cu/TiCu/Ag(s.s)+Ti3Cu4/TiC/C/C復(fù)合材料，獲得的接頭剪切強(qiáng)度在880 ℃時(shí)可保持33 MPa達(dá)10 min。

秦優(yōu)瓊等人[17]采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶態(tài)合金釬料釬焊C/C復(fù)合材料和TC4鈦合金。在C/C復(fù)合材料、TC4鈦合金與箔狀鈦基釬料之間分別加入一層Cu中間層和一層Mo中間層，這樣一方面可避免釬料與TC4鈦合金母材形成大量鈦銅、鈦鎳等脆性化合物，另一方面可緩解由于母材與釬料熱膨脹系數(shù)差異在接頭處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。結(jié)果證明,這種方法能用于C/C復(fù)合材料和TC4鈦合金的釬焊，且隨著釬焊溫度的增加和保溫時(shí)間的增長，Cu和Mo中間層的溶解加劇，形成連續(xù)、厚度較大的反應(yīng)層。

由于銀基、鈦基釬料對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕性較差，需要提高溫度來改善釬料對(duì)母材的潤濕性，當(dāng)釬焊溫度超過了鈦合金的相變溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的韌塑性下降。因此,焊前對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行表面處理，在C/C復(fù)合材料表面添加一些與釬料潤濕性好的材料，可以降低釬焊溫度，提高接頭的性能[18]。李爭顯等人[19]在TC4鈦合金表面沉積一層鎳層，厚度為3 μm，采用真空釬焊焊接TC4鈦合金與C/C復(fù)合材料，釬料采用銀基釬料和鎳基釬料，釬焊溫度為800～850 ℃，保溫時(shí)間15 min，得到的釬焊接頭室溫剪切強(qiáng)度達(dá)到48 MPa。

綜上所述，目前釬焊是C/C復(fù)合材料與鈦合金焊接的主要手段，銀基釬料、鈦基釬料等均可用于C/C復(fù)合材料與鈦合金的釬焊。

鈦合金與C/C復(fù)合材料釬焊的優(yōu)勢在于Ti本身對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕性比較好，但是釬焊溫度超過鈦合金相變溫度時(shí)會(huì)降低釬焊接頭的性能。通過在母材表面沉積鎳層等處理方式可以降低釬焊溫度，保證釬焊溫度不超過鈦合金的相變溫度。

鈦合金與C/C復(fù)合材料的釬焊主要依靠釬料與母材元素的潤濕與擴(kuò)散，因此采用合理釬焊溫度和保溫時(shí)間來保證釬料母材的充分反應(yīng)，避免產(chǎn)生過量金屬間化合物。

3. C/C復(fù)合材料與TiAl合金的焊接

TiAl合金因其低密度、高比強(qiáng)度、高溫抗蠕變性能好，在飛行器渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件等部位的應(yīng)用取得了優(yōu)異的效果。使用包含50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)的C/C復(fù)合材料的C/C-TiAl連接材料能節(jié)省27%的質(zhì)量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。C/C復(fù)合材料與TiAl合金的連接可提高高溫構(gòu)件的工作溫度，擴(kuò)展應(yīng)用范圍[20]。

曹健等人[21]利用自蔓延連接的方法對(duì)C/C復(fù)合材料和TiAl合金(Ti-46Al-2Cr-2Nb，原子分?jǐn)?shù)，%)進(jìn)行連接，采用Ag-Cu-Ti釬料(Ag-26.4Cu-4.5Ti，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)與Ti-Al-C夾層。在連接過程中，將近8 s時(shí)工件中心峰值溫度達(dá)到1 943 ℃，靠近Ti-Al-C夾層附近溫度在近20 s時(shí)也達(dá)到1 644 ℃，遠(yuǎn)高于Ag-Cu-Ti釬料的熔點(diǎn)。改變Ti-Al-C夾層的厚度發(fā)現(xiàn)試樣的抗剪切強(qiáng)度隨夾層厚度增加先提高后降低，在夾層厚度為500 μm時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)工件的剪切強(qiáng)度為17.6 MPa，通過金相觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)靠近C/C復(fù)合材料側(cè)有大量TiC化合物，靠近TiAl合金側(cè)則含有大量Ti-Al-Cu，中間夾層附近則以TiAl3和TiC居多。

王厚勤等人[22]使用Ag-Cu-Ti釬料釬焊C/C復(fù)合材料與TiAl合金。使用的TiAl合金為Ti-46Al-2Cr-2Nb，釬料為Ag-26.7Cu-4.6Ti(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，箔狀，厚度為50 μm。試驗(yàn)前用針在C/C復(fù)合材料表面刺出一些直徑為0.8 mm、深度為1～3 mm的小孔。試驗(yàn)證明,Ag和Ti之間的互斥對(duì)接頭的微觀組織有明顯的影響，釬焊溫度1 193 K，保溫10 min時(shí)，得到的接頭典型結(jié)構(gòu)為TiAl/Ti3Al+AlCuTi/AlCu2Ti/Ag(s.s)/TiC/CC。當(dāng)連接溫度低于1 213 K時(shí)，接頭處出現(xiàn)了銀基固溶體的等溫線凝固，此時(shí)在界面處出現(xiàn)層結(jié)構(gòu)，等溫線凝固有助于降低Ti在C/C復(fù)合材料表面的聚集；層結(jié)構(gòu)在連接溫度達(dá)到1 213 K時(shí)被破壞，這會(huì)降低接頭的強(qiáng)度。C/C表面被刺破的小孔導(dǎo)致的滲透層可顯著強(qiáng)化接頭，提高接頭的抗沖擊能力。

目前國內(nèi)展開了一些C/C復(fù)合材料與TiAl合金的焊接研究。自蔓延連接能用于C/C復(fù)合材料與TiAl合金的焊接，焊接時(shí)為保證接頭的抗剪切強(qiáng)度需要合理控制中間層的厚度。C/C復(fù)合材料與TiAl合金釬焊時(shí)可通過對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行表面打孔處理提高釬焊接頭的強(qiáng)度。

4. C/C復(fù)合材料與高溫合金的焊接

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[9]。C/C復(fù)合材料在室溫時(shí)強(qiáng)度較低且制備周期長、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。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[10]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)潤濕的物質(zhì)能夠改善釬焊接頭的強(qiáng)度。

郭領(lǐng)軍等人[11] 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[12]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。

張鑫等人[13]使用BNi5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)椎热薣14]通過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。

5 結(jié) 論

由于C/C復(fù)合材料熔點(diǎn)高，難以采用熔焊工藝，因此主要采用釬焊和擴(kuò)散焊方法進(jìn)行焊接。C/C復(fù)合材料釬焊與擴(kuò)散焊時(shí)面臨的主要問題有：①常用釬料對(duì)C/C復(fù)合材料的潤濕性不好；②C/C復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)很低，與大部分釬料的熱膨脹系數(shù)差距大，高溫下焊縫內(nèi)會(huì)形成較大的熱應(yīng)力而開裂；③為了充分發(fā)揮C/C復(fù)合材料的高溫性能優(yōu)勢，通常要求其焊縫具有良好的高溫性能。

為了解決上述問題，目前國內(nèi)外研究主要采取了以下措施：①對(duì)C/C復(fù)合材料表面進(jìn)行處理，如涂覆、燒結(jié)、打孔、沉積SiC等材料，可以提高母材與釬料潤濕性、在接頭界面形成過渡層防止熱膨脹不均產(chǎn)生裂紋等；②在釬料中添加一些活性元素或化合物，這些活性元素化合物能夠促進(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；③改變釬料中活性元素的含量以提高釬料對(duì)C/C復(fù)合材料母材的潤濕性；④C/C復(fù)合材料的擴(kuò)散焊時(shí)可在母材與中間層之間夾持過渡層，緩解母材與釬縫的熱膨脹程度差異。

未來C/C復(fù)合材料連接技術(shù)的發(fā)展將會(huì)得到各國高精尖產(chǎn)業(yè)的更多重視?，F(xiàn)階段，C/C復(fù)合材料與鈦合金、高溫合金等的焊接已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。如何有效解決目前C/C復(fù)合材料焊接常見的問題(如接頭產(chǎn)生裂紋、接頭高溫性能差等)也是未來研究的熱點(diǎn)。如同目前自蔓延連接這類新型方式的應(yīng)用，今后必然將會(huì)產(chǎn)生更多新型的方法用于推進(jìn)C/C復(fù)合材料連接技術(shù)的進(jìn)步。更多碳碳復(fù)合材料信息可查看http://sunkanghua.cn