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本文以碳/碳复合材料的复杂部件制造为应用背景,通过简单形状部件的连接技术制造为研究背景,采用真空钎焊的方法对碳/碳复合材料的钎焊进行了研究。借助扫描电镜、能谱分析、剪切试验等分析测试手段,研究分析了碳/碳复合材料/Cu-Ti的真空钎焊接头和碳/碳复合材料/Al-Ti真空钎焊接头的界面组织结构、室温力学性能,以及不同的工艺参数等对界面组织和力学性能的影响,对钎焊界面结构的形成机理进行了探讨。
以Cu为基体,设计了不同配比的Cu-Ti钎料。对不同配比的钎料,采用座滴试样的比接触面积法,测试了钎料对碳/碳复合材料的润湿性能。试验结果表明,随着Ti含量的增加,钎料对碳/碳复合材料的润湿性能显著提高。当Ti含量在10%~15%时,钎料的润湿性最好,铺展面积最大。对Al-Ti钎料,以Al为基体,设计了不同配比的钎料。对不同配比的钎料,测试了钎料对/碳复合材料的润湿性能。试验结果表明,随着Ti含量的增加,钎料对碳/碳复合材料的润湿性能提高。当Ti含量在10%~15%时,钎料的润湿性最好,铺展面积最大。熔化钎料中的活性元素Ti向接触面偏聚,反应生成TiC,这样会降低液态金属与碳/碳复合材料的界面能,促进润湿。当Ti含量过少时,C与Ti在界面反应生成的化合物太少而且不均匀,使得钎料的润湿性太差。而Ti含量过多时,导致钎料的熔点升高,在本试验选用的钎焊温度下不能很好的熔化。
利用Cu-Ti钎料对碳/碳复合材料进行真空钎焊,从焊接接头的界面层依次为Cf/C、TiC、Cu-Ti共晶组织+αCu,依据所发现的界面结构,提出了界面结构的形成机理和界面形成过程模型。
试验结果表明,当钎焊工艺参数变化时,接头界面产的种类并未改变,TiC层的厚度和Cu-Ti共晶组织、αCu所占界的比例会发生一定的变化。随着钎焊温度的提高或保温时间的延长,TiC的厚度逐渐增大;而钎缝中的Cu-Ti共晶组织逐渐减少。当钎焊温度为1050℃、保温时间为30Min时,接头可以获得最佳的剪强度2lMPa,钎焊工艺参数对钎焊接头的性能影响显著。
采用Al-Ti钎料真空钎焊碳/碳复合材料,焊接接头的界面层次依次为Cf/C、TiC、Al-Ti共晶组织和Al。当钎焊时所加压力较小时,焊缝缺陷很多,接头剪切强度不高。随着所加压力的增加,钎焊界面逐渐平直,剪切强度增高。而所加压力过大时,钎料熔化后流失过多,不利于性能的提高。钎焊工艺参数对接头抗剪强度的影响存在最佳取值,当钎焊温度为1100℃、保温时间为10min时,接头可获得最佳的抗剪强度12.3MPa。