C/C和C/SiC复合材料与金属钎焊接头界面组织与性能研究

"本文针对C/C、C/SiC与高温合金、钛合金和铜合金的钎焊连接进行研究。通过以下措施制备高强度陶瓷与金属接头：采用活性元素Ti和Cr金属化改善钎料的润湿性；采用低膨胀中间层配合高柔性钎料缓解残余应力；在钎焊界面构建具有强烈钉扎增强作用的指接界面结构。 以溅射Ti膜和TiH2粉为活性元素，分别采用Ag28Cu, Ag9Pd9Ga和Cu3.5-Si钎料钎焊制备了C/C与高温合金接头，C/SiC与钛合金接头和C/C与铜合金接头。结果表明活性元素Ti明显促进钎料在复合材料润湿性。钎焊过程中Ti与陶瓷基体发生化学反应生成碳化物和硅化物反应层。界面反应层既提高了钎料润湿性，也形成较强的界面结合。为满足接头的高温应用，采用AgPd钎料钎焊C/C与高温合金接头和C/SiC与高温合金接头。对复合材料进行铬金属化处理，表面形成的铬化反应层明显促进钎料润湿性。发现C/SiC表面铬化反应层并不能有效阻止合金元素与SiC的恶性反应，继而采用气相化学沉积法渗碳改性后再铬化处理可有效解决这一问题。以上两种改性方法均能实现钎料在毛化复合材料表面较好的润湿，且钎料在激光孔针内填充饱满，界面无明显缺陷，结合完好。 采用中间层制备的接头强度明显提高，其增强作用在于对接头残余应力的缓解。中间层对残余应力的缓解体现在两个方面：一是有效缓解了复合材料与金属之间的线膨胀系数不匹配。Al2O3、Mo、Nb和4J33线膨胀系数介于复合材料和金属之间，接头形成线膨胀系数梯度过渡的界面结构，有效减小了残余应力。另一方面，采用中间层接头焊缝组织有效改善，焊缝基体为均匀、塑性较好的固溶体组织，通过其弹塑性变形有效缓解了残余应力。实验结果表明采用Al2O3中间层的C/C与高温合金接头和C/SiC与钛合金接头强度分别由未采用中间层时的16 MPa和21 MPa明显提高至32 MPa和63 MPa。 与中间层相比，指接界面结构对接头增强作用更加显著。以Al2O3为中间层的毛化C/C与高温合金接头和毛化C/SiC与钛合金接头强度分别达到73 MPa和103 MPa。其增强机理主要为：一是增大接头连接面积。与平面接头相比，激光针孔被钎料填充，使连接面积明显增大；二是钎料针的强烈钉扎作用。钎焊后钎料针紧密镶嵌于复合材料基体，较强的界面结合在加载过程中起到强烈的钉扎作用从而提高接头强度。断口分析表明毛化接头断裂过程中裂纹发生明显偏转远离钎焊界面，部分偏转进入复合材料基体造成复合材料纤维粘撕断裂，部分偏转穿过钎料针造成钎料针断裂甚至发生塑性变形，同时提高接头韧性。此外，指接结构明显提高接头抗热震性能。 采用ABAQUS有限元对接头残余应力场进行模拟。结果表明中间层对缓解接头残余应力效果显著。对于C/C与高温合金接头，主要破坏应力为C/C钎焊界面剪应力，最大剪应力约120 MPa（Ag28Cu钎焊），出现在距自由外表面0.5mm处。采用中间层后剪应力显著降低至97MPa，且转移至距外表面0.1~0.2mm处。中间层厚度变化对剪应力变化影响不大。对于毛化C/C接头，钎料针根部出现较为严重的剪应力集中，达到140~150 MPa，说明接头容易从钎料针根部发生断裂，与实际断裂模式吻合。对于C/SiC与Ti55接头，接头外表面陶瓷近钎焊界面产生较为严重的拉应力集中现象。钎料柔塑性对减小残余应力效果明显，采用低屈服强度的AgPd钎料接头最大拉应力由Ag28Cu钎焊时的329 MPa迅速降低至95.7 MPa。配合中间层后进一步降低至88.8 MPa。采用毛化C/SiC后接头最大拉应力转移至C/SiC母材距钎焊界面0.8mm处，达到275 MPa，远大于平面接头拉应力峰值88.8 MPa。模拟结果与本文制备接头的实际断裂形式均吻合较好。 "