[发明专利]Cf/SiC复合材料与Ni基高温合金的连接方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接、连接领域，涉及到异种材料之间的连接。

背景技术

碳化硅陶瓷材料在2500℃条件下不熔化，在1000-1650℃范围内抗氧化性能 优越，耐各种酸碱的腐蚀，不仅具有很高的化学稳定性，而且具有良好的力学性 能，尤其具有优异的高温性能(高温强度、抗蠕变性能等)。但碳化硅陶瓷为一种脆 性材料，影响其作为结构材料的使用。近些年来发展起来的碳纤维增强的碳化硅 陶瓷复合材料(C_f/SiC)，在保持SiC陶瓷优点的同时，大幅度提高SiC陶瓷的韧 性，同时强度也获得了提高，表现为低密度、高强度、高韧性、耐高温、耐烧 蚀、抗冲刷、高硬度和高耐磨性等特点，在高性能武器装备、航空航天、能源技 术、化工、交通工业等领域具有广阔的应用前景。经过多年研究，目前C_f/SiC复 合材料的综合性能已达到实用水平，制造成本大为降低，其主要应用对象有热结 构部件、热防护系统、高温光学系统、制动系统等，如作为高温结构材料应用于 空天飞行器、航空涡轮发动机、空间推进系统等。C_f/SiC不具有金属材料的加工 性能，存在延性和冲击韧性低、加工性能差、制造形状复杂零件困难等缺点，在实 际应用中需要彼此间的连接以及与金属的连接，其中一个重要方面是与高温合金 的连接，需要连接件具有较高的高温强度和高温强韧性。

目前，报道的连接C_f/SiC复合材料与高温合金的方法主要有：用镍基金属玻 璃钎料箔钎焊连接C_f/SiC复合材料与镍基高温合金[Singh M，Asthana R，Shpargel T P.Brazing of ceramic-matrix composites to Ti and Hastealloy using Ni-base metallic glass interlayers.Materials Science and Engineering A，2008，498(1-2)：19-30]、在Ni 基高温钎料中加入1.5mm厚W合金中间层钎焊连接GH2907与C_f/SiC陶瓷基复合 材料，接头四点抗弯强度达到109MPa[张勇，张国庆，冯涤，等.GH2907与Cf/SiC 陶瓷基复合材料高温钎焊连接性能研究，动力与能源用高温结构材料——第十一届 中国高温合金年会论文集，2007]、用Zr/Ta复合中间层热压扩散连接C_f/SiC复合材 料与高温Ni基合金，在中间层的高温软化温度下施加高压(41.67MPa)焊接，中 间层向陶瓷孔隙中浸渗，形成机械咬合，但断口分析表明，Zr片与复合材料中 SiC陶瓷界面结合强度低，与C纤维尚可，接头的四点弯曲抗弯强度达到 110.9MPa[张建军，李树杰，段辉平，等.用Zr/Ta复合中间层热压扩散连接C/SiC和 镍基高温合金.稀有金属材料与工程，2002，31(增刊1)：393-39641]。C_f/SiC复合材料 由于其制备工艺的特点，总存在一定的孔隙率，一般不主张在较高的压力下连 接，以免造成C_f/SiC复合材料的损坏。钎焊可在无压和较低压力下焊接，钎料在 焊接过程中对C_f/SiC复合材料的孔隙有良好的渗透性，可增加接头的结合强度。 就陶瓷与金属连接而言，一般要求钎料对陶瓷有良好的润湿性，业已研究表明含 活性元素(如Ti等)的活性钎料可满足要求，同时连阶层需要有效缓解接头中由 于陶瓷与金属热膨胀系数差别所产生的热应力，这方面研究比较多如在连接层中 加入薄层易变形的金属，以借助于其塑性变形降低接头热应力，或者加入低膨胀 系数材料如W、Mo、TiC等降低连接层的热膨胀系数或者用热膨胀系数呈梯度变 化的连接层。针对陶瓷与高温合金的连接，为了提高接头的高温强度以便可作高 温结构件使用，需要使用高温钎料以便能在高温下焊接，而在高温下高温合金中 常用的元素如Ni，Co，Fe都会直接与SiC陶瓷发生十分强烈的化学反应，在紧靠 SiC的界面上形成由硅化物层以及溶有碳的硅化物层交替分布的带状反应层结构， 极大地损伤了陶瓷基材，也大大地降低了接头强度[陈波，熊华平，毛唯，等.PdNi-Cr -V钎料钎焊Sic陶瓷的接头组织及性能，金属学报，2007，43(11)；1181- 1185]。C_f/SiC复合材料中的C纤维可以强化SiC陶瓷基体，能否找到方便可行的 方法，利用复合材料中的碳纤维强化连接层与C_f/SiC复合材料间的结合界面，将 会明显得提高接头的高温强度。