[发明专利]C/SiC复合材料的一种连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温、高强、高可靠性、气密良好、可长时间储存的C/SiC复合材料的连接技术和连接结构。特别适用于C/SiC复合材料制备的结构器件与其他金属器件的连接。

背景技术

目前，世界各大国均十分重视反导等先进防御武器的研制，美国将导弹防御系统的研制和配置作为一项重大国策，我国也开展了先进动能拦截器的预先研究。作为动力系统的推力室（如导弹发动机推力室、反导导弹姿控推力室等）采用了轻质、高比强度、耐高温的C/SiC（即碳纤维增强碳化硅）复合材料。我国经过“九五”以来十多年的研制，突破了C/SiC复合材料的编制成型、致密化抗氧化等关键技术，技术日趋成熟，已进入工程化研制阶段。目前，C/SiC复合材料推力室身部与喷注器头部钛合金采用螺栓活连接方式进行连接，以解决发动机地面试车问题。由于活连接采用的密封层是石墨材料，随着放置时间的延长，石墨所受压应力会逐渐释放，存在漏气隐患，可靠性和安全性较差。另外，活连接由于工装夹具装置较重，结构复杂，抵消了C/SiC复合材料质量轻的优势，甚至还提高了整个推力室部件的重量。我国至今仍未有效解决C/SiC复合材料推力室的连接问题，成为该发动机工程化应用的最大技术障碍。

钎焊是目前研究较多的方法，但是C/SiC复合材料气孔率高，加热过程中会释放出大量的气体，影响焊接工艺过程和接头质量；采用扩散焊连接时需在接头界面之间加入一些填充金属作为中间连接材料，为了满足中间连接材料与C/SiC复合材料的装配要求，往往需要对C/SiC复合材料构件外观尺寸进行加工，难免损伤C/SiC复合材料的编织结构，所以对于一些形状复杂的C/SiC复合材料构件而言扩散焊工艺的研究难度更大。

化学气相沉积(CVD)是一种静成形技术，并能够复制基体的外型，因此特别适合在外型较为复杂的器件上沉积材料。本方法采用CVD技术在C/SiC材料表面沉积Nb，借助金属Nb优异的焊接性能，通过电子束焊接等方法将CVDNb与异种金属（镍基合金、钛合金、铌合金）连接起来，以CVDNb的为过渡连接材料，实现C/SiC复合材料器件与其他金属器件的连接。在C/SiC复合材料表面沉积Nb的同时，Nb原子可与基体材料产生扩散和反应，保证该连接结构的密封性；连接结构的使用温度取决于沉积材料Nb和基体材料C/SiC的使用温度，适用于高温结构件的连接；沉积的短流程工序有利于实现工序的可重复性，该连接技术在C/SiC复合材料大规模应用时极具优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种C/SiC复合材料与其他金属材料实现可靠连接的连接方法和连接结构。采用化学气相沉积的方法，在C/SiC复合材料沉积Nb，制备CVD Nb/（C /SiC）复合材料接头，该复合材料接头可应用于航天和航空领域的高温发动机喷管及其它结构件的焊接连接。

本发明中的Nb采用CVD净成型技术制备，采用开管法立式反应器，采用感应加热方法加热基体。以真空负压现场氯化法直接制备，采用氢气还原Nb的氯化物技术沉积Nb。以C/SiC复合材料为基体，基体C/SiC复合材料的制备及编织方法不限，在其表面连续不间断沉积Nb最终制备获得CVD Nb/（C /SiC）复合结构。

具体沉积工艺如下：将原材料Nb片至于氯化室中加热至200℃-400℃，通入氯气产生氯化反应，生产NbCl₅，气态NbCl₅随氢气进入沉积室，通过感应加热将C/SiC复合材料基体加热至900℃-1300℃，NbCl₅在氢气的还原作用下形成Nb原子沉积在C/SiC复合材料表面。高温下在C/SiC复合材料基体表面发生气体的吸附、解吸过程，被氢气还原的Nb在基体表面成核长大形成固态沉积层。

CVD法制备的Nb与复合材料界面同时存在界面扩散与界面反应，在制备过程中Nb与基体材料之间产生互扩散，且生成Nb₃Si、NbC和Nb₅Si₃等中间相，起到界面密封的作用。CVD Nb的平均沉积速率可达到0.1mm/h，沉积时间越长，铌层厚度越厚，扩散层厚度越宽，适中的界面扩散与界面反应有助于提高复合接头的密封性能和强度。为了提高C/SiC与CVDNb的结合强度，可将C/SiC复合材料外形面制备或加工为台阶和沟槽结构，在复杂外形面沉积Nb，可进一步提高两者由于热胀冷缩产生的机械结合力。