[发明专利]一种在碳纤维增强碳化硅复合材料基体表面制备活性金属连接层的方法及装置

说明书

一种在碳纤维增强碳化硅复合材料基体表面制备活性金属连接层的方法及装置，其特征在于将等离子喷枪、运动机构和C_f/SiC基体置于氩气保护仓内，用等离子喷涂方法在C_f/SiC基体上制备金属连接层。喷涂时根据喷涂材料的性质将C_f/SiC基体加热至300‑1100℃之间。该连接层可以用于C_f/SiC复合材料与金属连接部件的钎焊、扩散焊或者熔焊连接。根据被焊接金属部件的需要，活性层的成份为Cu、Mo、Ti单质合金粉末或者它们与其它合金粉末的复合。喷涂过程中加热基体后可以确保C_f/SiC复合材料与沉积的金属颗粒在喷涂过程中发生微区的界面冶金反应，使活性金属连接层与C_f/SiC基体的界面结合得到显著提高。

技术领域

本发明涉及C_f/SiC耐高温结构材料应用领域及陶瓷金属异质材料的连接领域，具体涉及到一种利用等离子喷涂方法在C_f/SiC表面制备活性金属连接层的方法及其装置。

背景技术

碳纤维增强的碳化硅复合材料(C_f/SiC)具有耐高温、抗腐蚀、高比强度等众多优异性能，所以被广泛应用于航空航天发动机、火箭燃烧室等高温场合。然而在一些工程应用中，C_f/SiC复合材料作为耐高温结构材料必须与其他金属部件相连接，例如在喷管、燃烧室等部件中。目前实现C_f/SiC复合材料与金属部件的可靠连接目前的主要方法是预先在复合材料表面钎焊一层过渡金属，而后利用这一过渡金属层和其他金属部件进行熔焊或者钎焊。过渡金属层与C_f/SiC复合材料的结合是决定C_f/SiC陶瓷基复合材料与金属部件连接的关键。

但是，C_f/SiC陶瓷基复合材料与常用钎料合金的化学相容性较差，常用钎料在其表面上润湿铺展性不佳，而且C_f/SiC复合材料自身并非完全致密，具有不定量的孔隙，这些孔洞在焊接时极易造成焊接缺陷，此外，SiC陶瓷与金属热物理性能存在较大的差异，如热膨胀系数、弹性模量等，高温钎焊后将会有较大的残余应力，削弱接头的力学性能。

为了使陶瓷表面变得更容易焊接，也有一些工作采用电镀和高温烧结对SiC陶瓷基体进行表面预金属化，然后利用该金属层进行钎焊，比如中国专利ZL200710035759.3“一种高性能陶瓷表面金属化处理工艺”是通过电镀和烧镍在材料表面形成金属层，中国专利ZL201110211637.1“SiC陶瓷表面处理方法及其用途”提出先在碳化硅表面涂敷TiH₂膏剂，真空热处理后在碳化硅表面形成一种复合层。然而，这些方法所得到的表面层与SiC陶瓷基体的结合较弱，由于需要在高温下进行热处理，很难得到纯度较高的金属表面，也难以对金属层的组分及结构进行控制，活性金属层与金属部件连接变得很困难。

本发明提出用等离子喷涂技术在C_f/SiC复合材料表面制备有冶金结合特征的金属连接层。由于喷涂可选材料范围广，工艺灵活，可以在C_f/SiC复合材料表面得到不同金属表层，从而使得C_f/SiC复合材料能与适用于航空航天零部件中的各类Ti合金、Ni基高温合金及Nb合金进行后续的焊接。而且，喷涂工艺周期短，对复杂型面或微小结构适应性强，便于在异性零件表面实现大面积快速金属层的制备。中国专利ZL201310392098.5“一种碳化硅陶瓷的表面金属化层及金属化方法”，提出用等离子喷涂含有20-50％的Si、20-40％的Co、10-50％的TiC或WC、0-5％的B的混合粉末，制备出具有金属特征的涂层，但为了照顾C_f/SiC的热膨胀系数，所得到的涂层中含有大量的硬质相和非金属相，金属Co的含量占比只有20-40％，涂层的塑性、韧性无法和单一的金属涂层相比，使得这种涂层可焊性能很差，难以作为与金属部件连接的连接层使用。同时，这种涂层和SiC基体之间的结合仍以界面处的机械咬合为主，结合质量有限。

发明内容