C/SiC复合材料与TC4钎焊工艺研究

论文摘要

C/SiC复合材料作为一种新型材料,充分结合了碳纤维和SiC基体的优势,表现出低密度、高强度、耐高温、耐烧蚀、抗冲刷等优点,在航空航天及汽车领域有着广泛的应用前景。本文采用TiZrNiCu非晶态箔片与Ni箔片实现了C/SiC复合材料与TC4合金的成功连接,确定了两种接头的界面组织结构,分析了工艺参数对接头组织的影响,解明了界面连接机理;测试了接头常温及高温力学性能,确定了接头断裂路径,建立了工艺参数-界面结构-力学性能之间的关系。通过对C/SiC复合材料/TiZrNiCu/TC4合金接头界面反应的试验和分析结果,确定钎焊温度T=900℃、保温时间t=10min时,接头界面结构为:C/SiC复合材料/Ti5Si3+TiC+ZrC/（Ti2Cu+TiCu+CuZr）/[Ti（s.s）+（Ti2Cu+TiCu +CuZr）]/TC4;且当钎焊温度升高到960℃后,Ti5Si3及ZrC化合物消失。以抗剪强度来评价C/SiC复合材料/TiZrNiCu/TC4合金接头的力学性能,T=960℃,t=10min时,接头抗剪强度最高达99MPa;此时接头主要在靠近C/SiC复合材料侧的TiC反应层与TiCu+Ti2Cu+CuZr化合物层断裂。960℃/10min接头在600℃、800℃高温抗剪强度分别为59MPa与54MPa。采用Ni箔片作为中间层时,T=1000℃、t=30min时,接头的界面结构为:C/SiC复合材料/TiC/Ti2Ni/[Ti2Ni+Ti（s.s）]/TC4。升高钎焊温度或延长保温时间,抗剪强度呈现先增长后降低的趋势。当T=1100℃/t=30min时,接头的抗剪强度最高,达到128MPa;此时,接头主要在靠近C/SiC复合材料侧的TiC反应层中以及钎缝中部的Ti2Ni+Ti（s.s）层断裂。1100℃/30min接头在600℃高温抗剪强度为120MPa,800℃高温抗剪强度为78MPa。采用Marc有限元分析软件对两种接头的残余应力进行了研究,两种接头的残余应力分布情况大致相同,残余应力峰值均出现在钎料层与复合材料的界面处,并且在尖角处存在一定程度的应力集中。但C/SiC复合材料/TiZrNiCu/TC4合金接头的残余应力峰值高达340MPa,C/SiC复合材料/Ni/TC4合金接头的峰值仅为150MPa,而且相同区域的残余应力值前者较大,因而造成前者接头强度较低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 C/SiC 复合材料与TC4 连接的难点及分析
• 1.3 C/SiC 复合材料连接的研究现状
• 1.4 SiC 陶瓷的连接研究现状
• 1.4.1 SiC 陶瓷与金属的钎焊与扩散焊
• 1.4.2 SiC 陶瓷与金属的其它连接方法
• 1.5 本课题的研究内容及试验方案
• 第2章 试验材料设备及方法
• 2.1 试验材料及试件加工
• 2.2 非晶态钎料
• 2.3 试验设备及试验过程
• 2.3.1 钎焊设备
• 2.3.2 工艺试验
• 2.3.3 性能测试
• 2.3.4 界面分析
• 2.3.5 断口分析
• 第3章 C/SiC 复合材料/TiZrNiCu/TC4 钎焊接头的界面组织与力学性能
• 3.1 工艺试验
• 3.2 C/SiC 复合材料/TiZrNiCu/TC4 合金接头界面分析
• 3.2.1 900℃/10min 时C/SiC 复合材料/TiZrNiCu/TC4 接头界面结构
• 3.2.2 960℃/10min 时C/SiC 复合材料/TiZrNiCu/TC4 接头界面结构
• 3.2.3 C/SiC 复合材料/TiZrNiCu/TC4 界面结构形成热力学分析
• 3.3 工艺参数对C/SiC 复合材料/TiZrNiCu/TC4 接头界面的影响
• 3.3.1 钎焊温度对接头界面组织的影响
• 3.3.2 保温时间对接头界面组织的影响
• 3.4 C/SiC 复合材料/TiZrNiCu/TC4 合金接头力学性能
• 3.4.1 钎焊温度对接头抗剪强度及断裂位置的影响
• 3.4.2 保温时间对接头抗剪强度及断裂位置的影响
• 3.5 本章小节
• 第4章 C/SiC 复合材料/Ni/TC4 共晶接触反应钎焊接头界面组织与力学性能
• 4.1 工艺试验
• 4.2 C/SiC 复合材料/Ni/TC4 合金接头界面分析
• 4.3 工艺参数对C/SiC 复合材料/Ni/TC4 合金接头界面的影响
• 4.3.1 钎焊温度对接头界面组织的影响
• 4.3.2 保温时间对接头界面组织的影响
• 4.3.3 C/SiC 复合材料/Ni/TC4 合金接头界面形成机制
• 4.4 C/SiC 复合材料/Ni/TC4 合金接头力学性能
• 4.4.1 钎焊温度对接头断裂位置的影响
• 4.4.2 保温时间对接头断裂位置的影响
• 4.5 本章小节
• 第5章 C/SiC 复合材料/TC4 接头残余应力的有限元分析
• 5.1 残余应力分析的基本理论
• 5.2 模型的网格划分、初始条件及边界条件
• 5.3 C/SiC 复合材料与TC4 接头残余应力分析
• 5.4 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录