连续纤维增韧陶瓷基复合材料的连接方法.pdf
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1、5 8材料工程2 0 0 5 年1 l 期连续纤维增韧陶瓷基复合材料的连接方法J o i n i n gM e t h o d sf o rC o n t i n u o u sF i b e rR e i n f o r c e dC e r a m i cM a t r i xC o m p o s i t e s柯晴青,成来飞,童巧英,张青(西北I:业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室,西安7 1 0 0 7 2)K EQ i n gq i n g,C H E N GL a i f e i,T O N GQ i a o y i n g,Z H A N GQ i n g(N a t
2、i o n a lK e yL a b o r a t o r yo fT h e r m o s t r u e t u r eC o m p o s i t eM a t e r i a l s,N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y,X i7 a n7 1 0 0 7 2,C h i n a)摘要:连续纤维增韧陶瓷基复台材料(C M C s)在高温领域具有广阔的应用前景,但是由于其编织工艺的限制,难以制备十分精密和复杂的构件,而要使纤维增韧C M C s 得到广泛的应用,必须解决复台材料与金属
3、合金系列材料的连接问题。因而连接是C M C s 走向工程应用需要解决的关键课题之一。综述了C M C s 的连接现状,重点介绍了几种有效的连接C M C s 的方法:钎焊、局部过渡液相连接、无压固相反应连接、聚合物分解连接、A R C J o i n T、在线液相渗透连接等。关键词:C M C;连接;润湿性中圈分类号:T Q l 7 4 1文献标识码:A文章编号:1 0 0 l 一4 3 8 1(2 0 0 5)1 l 一0 0 5 80 6A b s t r a c t:C o n t i n u o u sf i b e rr e i n f o r c e dc e r a m i c
4、m a t r i xc o m p o s i t e s(C M C s)w i l lb ew i d e l ya p p l i e dt ot h eh i g ht e m p e r a t u r ef i e l d B e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h eC M C s f a b r i c a t i o n,i ti sh a r dt op r o d u c es o p h i s t i e a t e da n dc o m p l e xc o m p o n e n t s M o r e o v
5、 e r,d u et ot h ew i d ea p p l i c a t i o n so fC M C s,t h ep r o b l e mo fc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nC M C sa n dm e t a l sm a t e r i a lm u s tb es o l v e d J o i n i n gi so n eo ft h ec r i t i c a ls u b j e c t sn e e d i n gt ob es o l v e df o rC M C s a p p l i c a t i o
6、n T h ep r e s e n ts t a t u so fC M C sj o i n i n ga r er e v i e w e d S e v e r a le f f e c t i v ej o i n i n gm e t h o d sa r ee m p h a s i z e d:b r a z i n g,p a r t i a lt r a n s i e n tl i q u i dp h a s eb o n d i n g(P T L P B),s o l i d s t a t er e a c t i o nb o n d i n gw i t h
7、o u tp r e s s u r e,j o i n i n gw i t hp r ec e r a m i cp o l y m e r,A R C J o i n T,o n-l i n el i q u i di n f i h r a t i o n;o i n i n gp r o c e s se t e K e yw o r d s:C M C s;j o i n i n g;w e t t i b i l i t y纤维增韧陶瓷基复合材料具有比模量高,比强度高,耐磨性好,导热性好,耐高温,抗氧化,化学性能稳定,热膨胀小等优点“,可以满足1 6 5 0 以下长寿命,2 0
8、0 0 以下有限寿命,2 8 0 0 以下瞬时寿命的要求,这就使得C M C s 成为倍受关注的新型耐高温材料0 1 。但是一方面由于纤维增韧陶瓷基复合材料编织工艺的限制,实现大型、精密、复杂构件十J 分困难。另一方面,由于目前构件多使用金属,因此要推广C M C s 的使用最重要的是要实现复合材料与金属以及与自身之闻的连接。陶瓷基复合材料的一大优点是可以通过选择纤维类型,纤维含量与纤维铺贴方向,对其力学性能(例如刚度与强度)进行“剪裁”,这是复合材料的优点。但是,这却对复合材料结构连接带来不少问题。特别对于具有很强的各向异性的铺层形式,其连接阀题变得极其复杂,对连接损坏的修补也很困难。常用的
9、连接方法大致可分为三类:粘接、机械连接、焊接。粘接的界面为物理及化学作用,接头强度低,使用温度也较低,一般低于2 0 0-5 。机械连接界面是机械力作用,接头无气密性,易产生应力集中。考虑到C M C s 复杂的受力条件,较高的使用温度及可靠陛因素时,焊接的方法较为适用。由于C M C s 连接的难点:基体熔点高,不能使用熔焊;耐压能力差,不能使用大的压力进行固相扩散连接;复合材料的化学惰性使之不易润湿而造成钎焊的困难;连接材料对复合材料的适用性,避免增强相和基体之间不利的化学反应而造成C M C s 性能的下降“:。考虑到以上的问题,因此目前常用的焊接方法有:钎焊、无压固相反应连接、A R
10、C J o i n T、聚合物分解连接及在线液相渗透连接。1 粘接粘接是在粘接剂的作用下,使类似的材料或不同材料界面、内部紧密连接的技术。粘接具有固化速度 万方数据连续纤维增韧陶瓷基复台材料的连接方法快,使用温度范围宽,抗老化性能好等特点被广泛的应用在飞机的应急修理,炮弹导弹辅助件连接,修复涡轮,修复压缩机转子等方面o 。由于粘接应用简单,因而它在树脂基复合材料的连接中应用较为广泛,其接头形状设计,接头应力及模拟已有了较完善的分析”_ 1。但由于粘接剂主要是一些环氧树脂类、改性酚醛类、有机硅等,形成的接头一般只有在使用温度较低,一般低于2 0 0,且大多用于静载荷和超低静载荷零件。在陶瓷基复合
11、材料中的应用还很少。2 机械连接机械连接可分为两种,一种是传统意义E 的用紧固件如销钉、螺钉、铆钉和螺栓等进行结合的连接。这种方法连接C M C s 的参数有:纤维类型与制备方法;纤维的走向;结构形式;纤维的体积分数;紧固件材料等。其优点是:易于质量控制,安全可靠,强度分散性小;抗剥离能力强,能传递大载荷;便于装卸。但它也存在许多缺点:连接结构一般采用间隙配合,不用干涉配合;制孔和安装过程中易使孔产生分层、掉渣等缺陷,影响连接强度;各向异性显著;应力集中高;对碳纤维复合材料,为防止电偶腐蚀,一般用与之电位接近的钛、钛合金、耐蚀不锈钢、蒙乃尔合金等金属材料的紧固件;而且紧固件的使用增加了整个构件
12、的重量。另一种是现在应用越来越多的成型连接方法。这种方法可以在制备两个待连接构件时进行接头的设计,使之在制备后自动完成连接。在机械连接中,载荷的传递是依靠连接件进行的。由于机械连接需要增加构件的重量,对连接件的形状有较高要求,而这正是陶瓷基复合材料较难做到的一点。因此,机械连接在陶瓷基复合材料的应用还很少。3 焊接焊接一般是指界面发生化学反应的连接,其优点是连接强度高,使用温度高,构件精度高;它的缺点是由于焊接温度高,热物理失配引起的界面应力也高;而且对于 C M C s 来说,由于有多种材料的存在,C M C s 与其他的材料在高温连接时,界面附近易出现复杂的残余应力,这不仪容易引起陶瓷基体
13、力学性能的下降,而且还可能降低纤维和基体问的结合,使纤维和基体之问发生破坏”3;而且由于纤维增强的C M C s 表现出各向异性,因此钎焊面和纤维布面之间的关系也会影响接头的强度”1,当纤维和钎焊面垂直时,接头的强度一般较高,这和残余应力有关“2-1“。但是考虑到构件的使用温度,气密性,承载能力和可靠性等因素一般认为焊接是连接复合材料较为合适的一种方法。几种有效的连接C M C s 的焊接方法有:钎焊、局部过渡液相连接、无压固相反应连接、聚合物分解连接、A R CJ o i n T 和在线液相渗透连接。3 1 钎焊钎焊是利用钎料在高温下熔化,其中的活性组元和复合材料发生反应,形成稳定的反应梯度
14、层,从i i j 将两种材料连接到一起。由于C M C s 的化学惰性使之不易润湿,因此可以采用必下两种方法进行钎焊:一是用活性钎料直接进行连接,二是分两步,先对复合材料待连接面采用热喷涂、P V D 沉积金属层、C V D 法,及离子注人等方法“进行金属化处理后,再用一般钎料进行连接”J。表1 所示的是几种钎焊连接C M C s 的条件及接头性能。钎焊结合的主要机制是:钎料在界面处可以产生机械和化学的结合,机械结合可以认为是钎料质粒嵌入或渗入复合材料表层的微孔区,而化学结合强度归结十钎料和基体间的物质转移和反应口”。衰l钎焊连接c i v i c 材料的条件及接头性能T a b l e1C
15、o n d i t i o n so fb r a z i n gC M C sa n dp e r f o r m a n c eo ft h eJ o i n t sS o t d e rT e m p e r a t u r e T i m e r a i nR e s u l t a n ti nJ o i n tS h e a rs t r e n g t h M P aF r a c t u r ep o s i t i o nS i G s i c 1 7 Js l c f s i c 1 7 S i C f S I C 1 7 c I s l c F l 7 A lS lZ B
16、 MS i1 0 0 01 4 2 0】2 0 01 4 1 04 5A 1 3 a4 545一C M CC M CC M CS i 3 N“c。r d i e。i。T P 1 8;“gT 1+5 0 p m A g c“8 0 0l Os l c4 06c M ca lL o y:12 3e o c r y s t a l l i a a t i o n在钎焊中,钎料的选择在连接后接头的陛能方面起了关键的作用。为了提高接头的强度,钎料的选择要从以下几个方面进行考虑:(1)钎料和连接母材材料的润湿性问题。由于陶 万方数据6 0材料工程2 0 0 5 年1 1 期瓷基复合材料很难被润湿,大多数的
17、钎料在接头上往往只形成球珠,很少或根本不产生润湿,这就导致了接头强度较低。针对这种情况,可以选择在钎料中添加表面活性元素S i,M g,T i 等o”。表2 所示是几种钎料中的活性元素及其作用。T i,Z r,H f,P d 等过渡族元素或稀有金属元素具有较强的化学活性,加至钎料后,在高温下对复合材料会具有一定的亲和性,因此,这些元素可以和N i,C u,A g,A u 等一同制成活性钎料一“。为了提高活性金属的活度可以添加I n,S n,A l 等元素。如表3 所示是这儿种元素的作用。(2)由于陶瓷基复合材料钎焊时存在钎料基体,钎料加强相,基体加强相三种界面。因此在选择钎料时要注意钎料对基体
18、和加强相的共同作用。(3)钎料和复合材料热膨胀系数的差异,产生的残余应力,导致接头在使用过程中开裂,因此要考虑在中间层中加入塑性材料或线膨胀系数和复合材料相合适的材料作为缓冲层(C u,T i 作为软缓冲层;W,M o 作为硬缓冲层;钎料中加入c 纤维以降低钎料的线膨胀系数)。综合以上三点因素,常用的活性钎料是A g C uT i,因为A g C uT i 钎料适合于钎焊各种陶瓷材料,因此将其作为连接陶瓷基复合材料比较合适。“_ 1“。通过钎焊技术形成的接头的热膨胀系数与母体材料不同,从而导致在接点区域产生应力集中,而且由于钎料熔点比较低,这样钎焊接头的使用温度不超过5 0 0。因此高温活性钎
19、料尚待进一步的研究o。衰2 金属元素在钎料中的作用T a b l e2E f f e c t so fm e t a l l i c a l l ye l e m e n t s(】nb r a z i n gt-”T i s S i 3,T i:s S i C z,T i C 兰冀#:未S i CN;2 S iP d N i 一,N i C u,N i A u。N bs i cN b 5 s 1 3r N b s l 2。N b 2 c w l l d l y8 p p l j。dt。N b s S i l C X N b Cd i f f u s i o nb o n d ir l gVS
20、 1 3 N 4V n,V S i 2,VS i NA uN i V M oA N iC P F c-M o N i-C r 鱼,N i2 9 C r表3添加元素对活性金属的作用T a b l e3E f f e c t so ft h ea d d i t i o n s le l e m e n t so na c t i v em e t a lA d d i t i v e,FL L n c t l o ne l e m e n t、I 小6:S h C 7 3A I 7 3C r 6 P r o m o t el i q u i d i t yo fs o l d e r,m a k
21、 et h ea d d i t i v em o t ea c t i v e,d e c r e a s et h eb o n d i n gt i m eM a k eZ rD l o r ea c t i v eM a k eZ rD l o r ea c t i v eP r o m o t et h ew e t t i b i l i t yo f【1 u3 2 局部过渡液相连接(P T L P B)P T I。P B 是为了解决活性钎焊、固相扩散焊中的问题,即:低温连接时使用温度低,高温连接时热应力大而使材料的性能受到损害。P t、I。P B 使用复合层中间层(如B-A _
22、B 的形式,其中A 厚度远大于B 厚度),在连接温度下形成液相,随着连接时间的延长,过渡液相被高熔点金属层消耗,同时过渡液相和母材发生反应的一种连接方法。一般认为它可以分为下四个阶段:(1)中间层的熔化和扩大,此过程速度取决于液相扩散。(2)液相的继续扩大,同时成分均匀化并达到液相线,液相的宽度可以由相图计算,这一阶段既有液相扩散又有固相扩散,而且以固相扩散为主。(3)液相凝固阶段。由固相扩散控制,凝固时问取决于液相的宽度和互扩散系数。(4)固相均匀化阶段。中问层的设计在连接中有很大的作用,主要从麒下几个方面考虑:(1)熔化的B 或A B 的界面产物可以和陶瓷连接。(2)高熔点的中间层能够消耗
23、低熔点层,形成合适的高熔点合金。(3)A 是高熔点元素且线膨胀系数和复合材料相似。表4 所示是几种可以用来连接陶瓷基复合材料的过渡液相中问层。表4 几种过渡液相连接复合中间层T a b l e4S e v e r a 1 l l u l t i I n t e r l a y e r sf o rP T I。P BC u P t C u 2 8 C u N b C u C r C u N i C u C r:“A uc uT i N i A uC w T i tZ a JA u N i A u:2 目A u N iC r 2 2 A u 2“T i N i T i E 3 0:C u-A u-
24、T i N i C AT i E 2”q哂如轧c址挑札乳轧轧甄 万方数据连续纤维增韧陶瓷基复合材料的连接方法6 1由表4 可以看出,由于N i 和N b 是高熔点元素常被用来作为高熔点核心层,而N b 和r t 由于熔点高,热膨胀系数和C M C s 相近,且可以和C u 很好的互溶,常用来作为局部过渡液相连接A l。o。基复合材料的中问层材料。这种连接方法较固相扩散焊,连接温度更低;不需要使用更大的压力,避免了复合材料性能的降低;另外由于液相的存在,被连接件的表面质量不要求太高。和钎焊相比,使用温度可以大幅度的提高;C M C s 表面的润湿性要求降低。如图l 所示当巩+0。1 8 0。即可
25、产生润湿,所以当0 1 足够小时,即使0。是钝角也可以产生润湿“。I n t e r l a y e r图1P T I P B 复舍中间层润湿示意图F i gIW e t t b i i t yp r o p e r t i e so fn l u l t r I n t e r【a v e r o Tp T I P B在这种方法中,由于中间层是由多种金属构成的,因此不仅要考虑中削层对复合材料的适用性,还要考虑各层金属之间的作用,防止生成脆性金属相降低了接头的性能。3 3 无压固相反应连接无压固相反应连接是在大气(或A r 或真空中)加热至金属钎料熔点的9 0,仅施加使接触面产生接触的压力,使
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