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C/C复合材料与TC4钎焊接头组织及性能研究

秦优琼  
【摘要】: 近年来,随着新型材料的发展,C/C复合材料由于其密度低、导热性能好、抗热冲击和抗疲劳性能好,特别是其优异的高温强度,被认为是一种理想的航空航天领域高温结构材料,已经成功应用于飞机刹车盘、核反应堆以及火箭发动机喷嘴等部件。将C/C复合材料与TC4连接制成火箭喷管构件,可大大降低重量,提高火箭发动机效率。本文利用AgCuTi和TiZrNiCu(加缓冲层)两种钎料来连接C/C复合材料与TC4,揭示了界面反应机理,并对接头微观组织与力学性能关系进行了深入研究。 采用AgCuTi钎料时,接头的界面结构为C/C复合材料/TiC/TiCu/Ag(s.s) +Ti_3Cu_4+TiCu/Ti_3Cu_4/TiCu/Ti_2Cu/Ti(s.s)+Ti_2Cu/TC4 ;当钎焊工艺参数改变时,接头界面产物的种类没有发生改变,但界面各反应层的厚度均发生了相应的变化。随着钎焊温度的升高或保温时间的延长,TiC/TiCu以及Ti_3Cu_4/ TiCu/Ti_2Cu/Ti(s.s)+Ti_2Cu反应层的厚度增加,焊缝中心的Ag(s.s)+Ti_3Cu_4+ TiCu反应层厚度变小,TiCu+Ti_3Cu_4黑块数量减少;当钎焊温度为1183K、保温时间为600s时,接头的抗剪强度最高,为25MPa,低于或高于此工艺参数时,接头的抗剪强度下降;断口分析表明,接头断裂的位置与被连接界面的碳纤维方向有关,当碳纤维轴平行于连接面时,断裂发生在复合材料中;当碳纤维轴垂直于焊接面时,在钎焊温度较低或适中的条件下,断裂主要发生TiC层中。在钎焊温度较高的条件下,断裂主要发生在TiC层以及TiCu/Ti_2Cu界面处。 为降低接头残余应力、提高接头的高温性能,采用TiZrNiCu钎料、Cu/Mo复合中间层对C/C复合材料与TC4进行了连接,结果发现,在较低工艺参数下,Cu/C/C复合材料界面结构为Cu/Cu_(51)Zr_(14)/Ti_2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni) +TiCu+Cu_2TiZr/TiC/C/C复合材料。随着工艺参数的提高,TiCu和Cu_2TiZr反应相逐渐消失,Ti(Cu,Ni)_2新相生成,此时的界面结构为Cu/Cu_(51)Zr_(14)/ Ti_2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)_2/TiC/C/C复合材料。钎焊工艺参数较高时界面结构为Cu/Cu_(51)Zr_(14)/Cu(s.s)+Ti(Cu,Ni)_2/TiC/C/C复合材料。随着钎焊温度的增加以及保温时间的延长,界面反应层Cu_(51)Zr_(14)和TiC反应层厚度增加;通过剪切试验发现当钎焊温度为1173K、保温时间为300s时,接头的室温抗剪强度最大,为21MPa,在923K时高温抗剪强度可达到27MPa,可满足实际应用的需要;改变Cu箔厚度,接头的室温抗剪强度增加,但增加幅度不大,最高不超过23MPa;断裂部位分析结果表明,当碳纤维轴平行于连接面时,断裂发生在复合材料中;当碳纤维轴垂直于焊接面时,断裂主要发生在C/C复合材料与钎料界面处的TiC层中。 利用有限元方法,模拟了C/C复合材料/TC4接头残余应力的分布特征。结合断口分析表明,接头力学性能与断裂部位主要与残余剪应力τ_(xy)有关。最大剪应力τ_(xy)分布在接头边缘的C/C复合材料/钎料界面处。采用AgCuTi钎料钎焊C/C复合材料与TC4时,在C/C复合材料/钎料界面应力集中区域的剪应力τ_(xy)低于采用TiZrNiCu直接连接C/C复合材料与TC4的应力;当采用TiZrNiCu钎焊C/C复合材料与TC4时,中间层的加入有利于缓和接头残余应力,其中Cu/Mo复合中间层的缓和效果优于单一中间层Cu和Mo;改变中间层的厚度对接头剪应力τ_(xy)的分布影响不大,但剪应力τ_(xy)值随着中间层厚度的增加有所降低,且降低幅度不大。 综合利用反应自由能理论及扩散理论对C/C复合材料钎焊过程中界面处反应产物及反应层厚度进行了研究,建立了C/C复合材料/钎料/TC4(Cu)界面反应层成长动力学方程,确定了反应层成长的动力学参数,为预测连接接头的组织结构与机械性能提供理论依据。


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