7CfSiC复合材料与TC4钛合金的接头组织结构.pdf

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1、第十六届全国钎焊及特种连接技术交流会论文集(A g-6 A I)+T i C 反应复合钎焊C f S i C 复合材料与T C 4 钛合金的接头组织结构王志平，黄继华，熊进辉，张华，赵兴科(北京科技大学材料科学与工程学院，北京10 0 0 8 3)籀要：研究用A g 粉、A I 粉、T i 粉、短c 纤维配制以A g-6 A I 为主的混合粉末真空钎焊O f S i C 陶瓷基复合材料和钛合金采用X 射线衍射、扫描电镜和能谱仪对接头组织结构进行分析。研究结果表明：在A g-6 A I 加入T i 可以提高钎料对复合材料的润湿性并抑制钎料中A I 的氧化，加入短c 纤维可以降低接头热应力。在不同

2、工艺条件下真空钎焊得到了完整的复合接头，反应生成的钛铝金属问化合物在接头中细小均匀分布，在短c 纤维周围原位合成了T i 0。当在A g 一6 A I 中加入一定质量分数为的丁j 和c，在9 1o 保温10 r a i n 的最佳工艺条件下得到的最高剪切强度达到9 0 8 M P a。关键髑：0 f S i 0 陶瓷基复合材料。钛合金，反应复合钎焊；A g A I T i c 填充材料中图法分类号：T B 3 3 2文献标识码：碳纤维增强S i C 陶瓷基复合材料(G S i C)具有优异的高温强度、良好的耐腐蚀、抗氧化、抗热震及耐磨性能，是应用在高温场合的一种重要材料，是目前研究最多的作为航

3、空航天发动机使用的陶瓷基复合材料。随着现代航天科技等领域的发展，极为迫切的需要将轻质耐高温的碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料与金属连接起来。研究C f S i C 陶瓷基复合材料与金属材料特别是钛合金的连接尤其具有重要的意义。目前，C f S i C 陶瓷基复合材料与金属的连接研究已成为前沿热点，但是能够很好地将两者连接并具有一定的强度的报道比较少。C f S i C 陶瓷基复合材料与钛合金的连接主要问题在于两者冶金相容性差，无法进行直接熔化焊接，而且C f S i C 复合材料与钛合金冶金之间膨胀系数差异较大，接头往往形成较大热应力，容易开裂。扩散焊、钎焊等是连接陶瓷与金属比较常用的方法，钎焊

4、对母材的表面状况要求较低，可在无压力或小压力的条件下完成连接，更适合干C C S i C 陶瓷基复合材料的连接。国外学者有用已经开发出来的钎料连接陶瓷与金属，R A s t h a n a 等用C u s i l A B A 和T iC u S i l 钎料实现了C f S i C 与多种金属和陶瓷的连接I，并对接头组织和性能进行了综合研究。国内有比较前沿研究表明【2 0】，在A g-C u T i 钎料中引入一种低膨胀系数的增强相如S i C、T i C、W、碳纤维或加入T i 和石墨C 使连接层中原位合成T i C，从而构成复合钎料钎焊再结晶S i C 陶瓷、C f S i C 陶瓷基复合

5、材料和钛合金。钎焊形成的接头具有介于陶瓷和金属之间的热膨胀系数，可以有效地降低接头的残余热应力，提高接头的室温和高温强度。A g C u T i 钎料是一种润湿性比较好的钎料，但钎焊的连接层中会形成大块的金属间化合物，不利用接头的性能。为了获得塑性比较好而且没有大块金属间化合物形成的连接接头，本文研究采用(A g 一6 A 1)+T i C 复合钎料连接了C f S i C 陶瓷基复合材料与钛合金，利用X R D、E D S、S E M 等分析手段，对接头组织结构进行分析研究。并初步测试了接头的剪切强度。1、试验材料及方法被连接母材为3 D C C S i C(“3 D C f”代表“三维碳纤

6、维强化”)陶瓷基复合材料与T C 4 钛合金。C f s i C 陶瓷基复合材料密度为2 0 2 1 9 c m 3，孔隙率为1 0-1 5，纤维束为3 K，纤维体积占4 5 5 0 v 0 1，室温抗弯强度约4 0 0 M P a，试样尺寸为5 m m 5 m mX5 m m。T C 4 钛合金化学成分为T i 一6 A 1 4 V(质量分数，w)，试样切割成1 5 m m 3 m m 的圆柱体。将复合材料、钛合金试样的待连接面分别用粒度为2 4 0 和6 0 的S i C 砂纸研磨，用丙酮清洗干净后，放入温度约为5 0 C 的干燥箱中烘干备用。复合钎料第P 六目垒国钎埠特种连接技术交涟舍论

7、文集0原料为；A g 粉粒度2 5 0 目、A I 扮粒度一2 0 0 目、T i粉粒鹰4 0 0 目、碳纤维牲度一1 5 0 目，纯度为9 7。粉末均按质量分数称取，先配制成A g 一6 A I 的粉，再在此基础上舔加0 1 0 的钛粉，固定的2 碳纤维。最终的复合钎料粉用球磨罐混合均匀(混合约1 2小时)，将复合钎料分成两部分作对比实验，一都舟在I O M P a 的压力下压成约05 r a m 厚的i 章坯，一部分用酒精混成糊状物。将薄坯或糊状物置于G S i C复合材料和钛台金之间井施加8x1 0 0 M P a 压力。实验条件下的真空度高于6x1 03 P a，温度为9 0 0 9

8、5 0，保温时间为1 0 3 0 m i n，升温速率1 1 r n i n，降温速率5 r a i n。利用L E O1 4 5 0 扫描电镜、能谱仪和x 射线衍射仪对连接层、反应界面进行了组织观察和成分及物相分析。在M T S S l 0 试验机上进行剪切实验，压头速度0 0 1 皿s。2 试验结果与分析图1(a)是采用(A g 一6 A 1)+T i 钎料钎焊后的连接层与复合材车孚的界面，圈1(b)和(d)是采用(A g6 A I)+T i+C 钎料连接的连接层与复合材料的界面扫描电镜照片，其中上县是复合材料，下层是连接层。图l(C)采片(A g6 A 1)+T i+c 钎科连接的连接层

9、与钛台金界面，其中上层是连接层，下层是钛台金。图1(b)(c)和(d)中在钎料层与复合材料之间的界面处有很明显的一层反应层，反应层与复合材料结合紧密。钎焊过程中液态钎料能渗入复合材料的空隙中，钎科中的T i 与复合材料中的S i C 反应也可造成复合材料中碳纤维的裸露，井植入连接层中形成锯齿状咬合。这样增加了连接层与复合材料的结合面积，提高了界面结合强度。同时可见当液态钎料中的T 1 扩散到复合材料界面时与S i C 反应的强度要大干与复台材料中碳纤维的反应。对反应层进一步进行E D S 分析，发现反应层含大量的T l、s i 和不定量的c 元素，初步断定该反应屡是钎料中T i 与复合材料中S

10、 i C 的反应产物，反应产物主要为T 1 3 S i、T i 3 S i C，和T i C，其中参杂少量的T i A I 相和T i A g 相。图1(C)是(A g6 A )+T i+c 钎辑钎焊后连接层与钍台金的界面，铢台金向连接层中扩散与连接层形成了牢固的界面扩散结合，在进行E D S 分析时发现连接层中T i的含量远远超过钎料中最初的添加量，说明有大量的T 1 从钛合金侧向连接层中扩教。()_ l4 日5 0 T g i 寺#if o J(“一6)T i+：#9 3 0 c f#E#*#抖i(c)(g 一6 4)+Tc t ct 9 5 0 f#E 5*$i(d)M6 1 _ T j

11、 十ct9。o c f#*5 H#i目i(M 一6 【H 和(旭一6 1)+T】+c 连接日接头局部界结构第十六届垒国钎焊特种连接技术室流会论文集田2(旭一6 A I)+T i 在9 5 0 下连接十H 屡组g田3 批一6 A I)+T i+C 在9 0 0 C 下连接十旧g 组轵图2 是采用(A g 一6 A I)+T i 钎料钎焊后连接层高倍电镜照片，结合圈1(a)和圈2，可以看出当钎料为(A g 一6 A 1)T i 时在连接中间屡主要有白色相和灰色相组成，其中灰色相弥散均匀地分布在白色相中。白色相是A g，灰色相分为不定形状的和短条状的。结合能谱和X R D 分析，不定形状的是T i

12、A g和T i A I，短条状的为T i 3 A t、T i A g 和T i A I，其中以T i 3 A I 为主。这些灰色相之所以是T i A g、T i A I和T i，A 1 不同比例的混合物是因为在钎焊过程中A g A 1、T i 发生了一系列复杂的反应”(T i n+(A g 卜T i A g+T i，A I(1)L+T i A I-*(A g 卜T i A I(2)L 十f r l)(r)_+(A g 卜T i，A I(3)当温度升到8 3 0 8 5 0 C 时，固态的T l 会与液相反应，主要是进行(1)(2)两种反应，(1)式反应的起始温度为8 3 2 C(2)式反应起始

13、温度为8 a 9。A l 熔体对T 1 3 A l 的润湿作用会使T i 3 A 1 以细块状融人液相中。随着反应的进行和温度的升高会进行(3)式的反应，T j，A l 又会重新从液相中析出井以其为核心长大，出现图中的短条状灰色相。图3 是采用(A g 一6 A 1)+T l+c 钎料时接头连接层，在图l(b)、(c)，岫)和图3，其中的踩黑色圆点和踩黑色短条是短碳纤维，且很均匀的分布在连接层中在每一个短碳纤维周围都会成辐射状的分布絮状灰色相，在距离短碳纤维比较远的地方也有没有确定形状的灰色耜。如图4 是(A g6 A 1)+T l IC连接的连接层的x 射线衍射谱，结合能谱和X R DOm2

14、 e“1 目4(M 一6 A I)+T i+C 连接目连接层的X 射线衍射谐对这些相进行分析。结果显示：短碳纤维周围辐射絮状灰色相由T i C、T i A I、T i A g 组成，辐射絮状物越靠近短麟纤维T i C 含量越高。由于短聩纤维的加入影响了液态钎料中T i 元素的扩散，进而影响了灰色相的分布，造成短碳纤维周围辐射絮状灰色相的出现。因为T 对c 是比较有亲和力的元素液相钎料中的”会向短碳纤维周围扩散聚集，同时短碳纤维中的C 也有少量的向外扩散，这样先到达短碳纤维附近的T l 与C 反应合成T i C，形成了短碳纤维与连接层的化学结台，还没有来得急扩散到短碳纤维附近的T l 与钎料液相

15、中的A l 和A g 反应。反应产物为T i A g、T i A I，在短碳纤维周围构成辐射絮状灰色相的效果。在距离短碳纤维比较远的没有确定形状的灰色相，是钎料液相中没有向短碳纤维聚集的T i 与液相反应的产物，其主要产物是T i A g、T i A I、T i 3 A I。由于T 1 元素向短碳纤维的聚集鞍多，战用(A g 一6 A 1)+T i+C 连接的中间层中出现的短条灰色相授有(A g6 A I)+T i 连接的中间层中出现圈 f监一一一m知k；m。第十六届全国钎焊及特种连接技术交流会论文集的多。同样的钎料分别用薄片和糊状物形式钎焊时，结果表明将钎料压制成薄坯可以一定程度上抑制钎料中

16、A l 的氧化。单纯的A g-6 A I 钎料不能很好的连接C f S i C 复合材料和钛合金，在钎料与复合材料结合面有裂纹，而且A g 一6 A 1 钎料对复合材料的润湿性也非常差，在钎料表面有氧化现象。但随着向A g-6 A 1 钎料中添 J H T i 含量的提高，钎料对复合材料的润湿性明显提高，另外T i 元素也有抑制A 1元素氧化的效果。而且在A g-6 A 1 钎料中添加适量的T i 可以很好的连接复合材料和钛合金。将钎料做成薄坯和T i 元素的加入同时解决了钎料中A 1 氧化和对复合材料不润湿的问题。短碳纤维的加入降低了钎料层的热膨胀系数，建立了一个热膨胀系数介于C f S i

17、 C 复合材料和钛合金之间的过渡复合层，缓解了两种材料降温过程中产生的热应力，同时提高了接头的强度。短碳纤维在钎料层中能均匀分布，且与钎料形成良好的化学结合。在不同的工艺条件下，采用(A g 一6 A 1)+T i 和(A g 一6 m)+T i+C 钎料钎焊，结果均可得到良好的接头。量壁室簋【1】兄A 甜珈l 且M S i n g hJ o u m a lo f t h eE u r o p e a nO 班血S o c i e t y。V o l u m e2 8 I s s u e3，2 0 0 8，P a g e s6 1 7-6 3 1【2】G u o b i a oL i n，J

18、i h u aH u a n g J o i n t so fC d S i Cc o m p o s i t et oT i-a l l o yW i 山i n，s i t-s y n t h e s i z e dT i C xb r a z i n gl a y e r s，M a t e r i*d sT r a n s a c t i o n s，2 0 0 6，4 7(4)：1 2 6 1-3【3】林国标，黄继华，张建纲等S i C 陶瓷与T i 合金的A g-C u T i-W作者简介：壬志平(1 9 8 2 一)，男，硕士研究生北京科技大学材料科学与工程学院材科先进连接研究室(

19、10 0 0 8 3)，电话：0 l0-6 2 3 3 4 8 5 9，E m a i l：z h i p i n g b l u e y a h o o c o m C U利用M T S 8 1 0 试验机对(A g 一6 A 1)+T i+C 接头的剪切应力进行初步测试。当连接温度为9 1 0 C 保温l O m i n 是得到的剪切强度为9 0 8 M P a，随着温度的升高强度会减小。3、结论(1)采用(A g 一6 A J)+T i 和(A g 一6 A 1)+T i+C 复合钎料钎焊C f S iC 复合材料和钛合金，结果均可得到良好的接头，把钎料压制成薄片和T i 的加入可以抑制

20、A l 的氧化，提高润湿性。(2)钎料中的短碳纤维能均匀的分布在连接层中，能与扩散到周围的T i 反应生成T i C，与连接层形成很好的化学结合，降低了连接层的热膨胀系数，有利于缓解热应力。(3)钎料中反应生成的T i A l、T i 3 A l 和T i A g相能细小均匀的分布在连接层中。钛合金中有大量的T i 扩散到连接层中参与反应。(4)在9 1 0。C 保温l O m i n 的工艺条件下最高剪切强度可以达到9 0 8 M P a，随着温度的升高强度会减小。复合钎焊接头组织结构研究【J】材料工程。2 0 0 5(1 0 X1 7 2 2【4】G u o b i a oL i n，J

21、i h u aH u a n g，H o n gZ h a n g J o i n t so fc a r b o nf i b e r-r e i n f o w e dS i Cc o m p o s i t e st oT i-a l l o yb r a z e db yA g-C u-T is h o r t b o nf i b e r s【J】J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y，2 0 0 7(1 8 9 t2 5 6-2 6 1【5】H a s h i m o t o k

22、 D o i，H。E x p e r i m e n t a lS t u d yo nP h a s e 嘶a 舢o ft h e1 锄缸yT i A I-A gS y s t e m”，J J p n I m t M e t，4 7 1 0 3 6-1 0 4 1(1 9 8 3)(Ag-6Al)+Ti/C反应复合钎焊Cf/SiC复合材料与TC4钛合金的(Ag-6Al)+Ti/C反应复合钎焊Cf/SiC复合材料与TC4钛合金的接头组织结构接头组织结构作者：王志平，黄继华，熊进辉，张华，赵兴科作者单位：北京科技大学 材料科学与工程学院,北京 100083 相似文献(4条)相似文献(4条)1.

23、期刊论文 班永华.黄继华.张华.赵兴科.张志远.Ban Yonghua.Huang Jihua.Zhang Hua.Zhao Xingke.Zhangzhiyuan Cu-Ti-C反应复合.扩散连接Cf/SiC复合材料和TC4钛合金接头的组织结构-稀有金属材料与工程2009,38(4)用Cu粉、Ti粉、石墨粉组成的混合粉末连接Cf/SiC陶瓷基复合材料和TC4钛合金,采用X射线衍射、扫描电镜和能谱仪对接头组织结构进行分析.结果表明:在Cu-(1530)Ti(,%)粉末中加入适量石墨粉作钎料,经900950、530 min真空钎焊,获得了完整的原位合成TiC增强的复合接头.通过在连接层中原位合成

24、一定体积分数TiC可以明显降低接头热应力.钎料石墨颗粒中的C元素和液相连接层中Ti元素发生相互扩散,形成了残余石墨颗粒周围的TiC反应层和分布在连接层中的TiC颗粒.反应速率主要受C元素由石墨颗粒向液相连接层的扩散速率所控制.2.期刊论文 王志平.黄继华.班永华.熊进辉.张华.赵兴科.WANG Zhi-ping.HUANG Ji-hua.BAN Yong-hua.XIONGJin-hui.ZHANG Hua.ZHAO Xing-ke 反应复合钎焊Cf-SiC/Cu-Ti-C/TC4接头组织结构-材料工程2008,(9)研究用Cu粉、Ti粉、石墨粉组成的混合粉末真空钎焊Cf/SiC陶瓷基复合材料

25、和钛合金,采用X射线衍射、扫描电镜和能谱仪对接头组织结构进行分析.结果表明:在Cu-25Ti(质量分数/%)粉末中加入适量石墨,经950,20min真空钎焊,获得了完整的原位合成TiC增强的复合接头,连接层中原位合成的一定体积分数的TiC可以明显降低接头热应力.石墨颗粒中的C元素和连接层液相中Ti元素发生相互扩散,形成了残余石墨颗粒周围的TiC反应层和分布在连接层中的TiC颗粒,TiC反应速度主要受C元素由石墨颗粒向连接层液相的扩散速度所控制.3.会议论文 王志平.黄继华.班永华.熊进辉.张华.赵兴科 反应复合钎焊Cf-SiC/Cu-Ti-C/TC4接头组织结构 2008 研究用Cu粉、Ti粉

26、、石墨粉组成的混合粉末真空钎焊Cf/SiC陶瓷基复合材料和钛合金,采用X射线衍射、扫描电镜和能谱仪对接头组织结构进行分析.结果表明；在Cu-25Ti(质量分数)粉末中加入适量石墨,经950,20min真空钎焊,获得了完整的原位合成TiC增强的复合接头,连接层中原位合成的一定体积分数的TiC可以明显降低接头热应力.石墨颗粒中的C元素和连接层液相中Ti元素发生相互扩散,形成了残余石墨颗粒周围的TiC反应层和分布在连接层中的TiC颗粒,TiC反应速度主要受C元素由石墨颗粒向连接层液相的扩散速度所控制.4.期刊论文 薛行雁.熊进辉.黄继华.张华.赵兴科.王志平.XUE Hang-yan.XIONG J

27、in-hui.HUANG Ji-hua.ZHANG Hua.ZHAO Xing-ke.WANG Zhi-ping AgAlTi-C钎焊Cf/SiC复合材料与TC4接头组织结构-材料工程2010,(5)研究用Ag粉、Al粉、Ti粉、短炭纤维配制以Ag-6Al为主的混合粉末真空钎焊Cf/SiC陶瓷基复合材料和钛合金,采用X射线衍射、扫描电镜和能谱仪对接头组织结构进行分析.结果表明:在Ag-6Al中加入Ti可以提高钎料对复合材料的润湿性并抑制钎料中Al的氧化,加入短炭纤维可以缓解接头热应力.在不同工艺条件下,真空钎焊得到了完整的复合接头,钎焊过程中生成的钛铝化合物在接头中细小均匀分布,在短炭纤维周围原位合成了TiC.当在Ag-6Al中加入一定质量分数的Ti和短炭纤维,在910保温10min的最佳工艺条件下得到的接头最高剪切强度达到90.8MPa.本文链接：http:/