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C/C复合材料活性钎焊接头界面组织及连接机理研究

2020-12-13阅读(908)

C/C复合材料活性钎焊接头界面组织及连接机理研究

论文摘要

C/C复合材料因具有高比模量、比强度大、耐腐蚀、耐摩擦磨损等优异性能广泛应用于航空航天、化工等领域。C/C复合材料自身的研制目前仍属于研究热点,与此同时,也亟待解决其与自身及其与金属连接的问题。本文从两方面进行实验,一方面采用Al-Ti活性钎料连接C/C复合材料,另一方面采用TiZrNiCu活性钎料连接表面改性的C/C复合材料与Ti。通过SEM、EDS、XRD等方法分析钎焊接头界面结构,并建立钎焊过程的物理模型,探讨了接头的连接机理,为C/C复合材料的连接问题提供理论依据。论文采用座滴试样比接触面积法测定不同含Ti量的A1基钎料与C/C复合材料的润湿性。结果表明Ti的含量明显地影响润湿性,当Ti含量超过14%时,钎料的润湿性较好。采用Al-14Ti钎料钎焊C/C复合材料,接头界面结合紧密,没有出现裂纹、孔隙等明显的缺陷；钎焊温度改变时,C/C复合材料与A1-Ti钎料界面生成物种类发生改变。当钎焊温度低于1223K时接头的界面结构为C/C复合材料/Al4C3+TiC反应层/Al-Ti固溶体+TiAl3/Al4C3+TiC反应层/C/C复合材料；当钎焊温度升高至1323K后,接头界面结构变为C/C复合材料/TiC反应层/Al-Ti固溶体+TiAl3/TiC反应层/C/C复合材料；并且随着温度的升高或保温时间的延长TiC层增厚；拉伸实验表明,1323k×10min条件下焊接时,Al-14Ti焊料与母材相互扩散反应充分,反应层厚度适中,接头内部残余应力较小,获得了本实验范围之内的最高焊接强度14.7Mpao通过对C/C复合材料/Al-14Ti界面反应相的热力学分析可知,在较低钎焊温度下Al4C3相并不是钎料中的A1直接与C/C复合材料的C反应生成的,而是在TiC层生成后A1液透过TiC层与其反应形成A14C3薄层。整个钎焊过程分为界面反应层和共晶钎缝组织的形成两个部分。采用包埋法对C/C复合材料表面改性,涂层与基体结合紧密,较好的解决了TiZrNiCu钎料难以直接钎焊C/C复合材料的问题。当钎焊工艺为1150k×5min时,采用TiZrNiCu钎料钎焊表面改性C/C复合材料与Ti接头界面结构为C/C复合材料-SiC （/TiC+ZrC）/[（Ti,Zr）2CuNi +CuZr+Ti-Zr固溶体]/[α-Ti+Ti2（Cu, Ni）]/Ti。当保温时间增长至20min时,C/C-SiC与钎料界面反应层变为TiC+Ti5Si3,厚度略增；焊缝层也增厚；同时扩散层组织为Ti2Cu+（Ti, Zr） Cu+P-Ti,反应相随时间延长数量增多。最优化钎焊工艺为1150k×5min时接头抗拉强度最大,最大值为15.3Mpa,分析其断口可知接头主要在包埋SiC层发生脆性断裂。利用反应自由能理论和扩散机制对C/C复合材料-SiC/TiZrNiCu/Ti接头界面反应产物以及接头形成过程进行研究,整个钎焊过程可以分为三个阶段：（1）钎料熔化阶段；（2）液相均匀化阶段；（3）等温凝固阶段。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 选题背景
  • 1.2 C/C复合材料的特点及应用
  • 1.2.1 C/C复合材料的特点
  • 1.2.2 C/C复合材料的应用
  • 1.3 C/C复合材料自身连接研究现状
  • 1.3.1 机械连接
  • 1.3.2 粘结
  • 1.3.3 固相扩散连接
  • 1.3.4 C/C复合材料自身钎焊连接
  • 1.4 C/C复合材料与Ti的钎焊研究进展
  • 1.5 C/C复合材料活性金属钎焊连接工艺分析
  • 1.5.1 活性金属钎焊原理
  • 1.5.2 界面反应及界面连接强度
  • 1.5.3 连接接头残余应力
  • 1.6 论文的主要研究内容
  • 第二章 实验材料与实验方法
  • 2.1 实验材料
  • 2.1.1 被焊材料
  • 2.1.2 钎料
  • 2.2 实验设备
  • 2.2.1 连接设备
  • 2.2.2 测试设备及手段
  • 2.3 实验方法及过程描述
  • 2.3.1 采用AI-Ti钎料钎焊C/C复合材料
  • 2.3.2 采用TiZrNiCu钎料钎焊C/C复合材料与Ti
  • 第三章 Al-Ti活性钎料连接C/C复合材料
  • 3.1 引言
  • 3.2 铝基钎料对C/C复合材料的润湿性研究
  • 3.3 铝基钎料钎焊C/C复合材料的钎焊工艺研究
  • 3.3.1 1223k×10min接头的组织形貌和成分分析
  • 3.3.2 1323k×10min接头的组织形貌和成分分析
  • 3.3.3 钎焊温度对钎焊接头界面组织结构的影响
  • 3.3.4 保温时间对钎焊接头界面组织结构的影响
  • 3.3.5 工艺参数对接头强度的影响
  • 3.4 Al-Ti钎料钎焊C/C复合材料连接机理研究
  • 3.4.1 界面反应相的热力学分析
  • 3.4.2 钎焊接头形成过程模型及钎焊机理分析
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 C/C复合材料与Ti的钎焊连接研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 C/C复合材料表面改性
  • 4.3 TiZrNiCu钎焊C/C-SiC与Ti最佳工艺的确定
  • 4.4 接头界面组织结构
  • 4.4.1 1150k×5min下C/C-SiC与Ti接头微观形貌
  • 4.4.2 1150K×20min下C/C-SiC与Ti接头微观形貌
  • 4.4.3 钎焊工艺参数对C/C-SiC与Ti接头组织的影响
  • 4.5 C/C-SiC/TiZrNiCu/Ti接头断口分析
  • 4.6 TiZrNiCu钎焊C/C-SiC与Ti接头界面的连接机理
  • 4.6.1 反应相的热力学
  • 4.6.2 C/C-SiC与Ti接头界面的钎焊机制
  • 4.7 本章小结
  • 第五章 结论与展望
  • 5.1 结论
  • 5.2 工作展望
  • 参考文献
  • 附录
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文

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