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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

邓利霞

  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。……   
[关键词]:C/C复合材料;钎焊;界面反应;接头强度
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中南大学2011年
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