C-C復(fù)合材料與TC4釬焊接頭組織及性能研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著新型材料的發(fā)展，C/C復(fù)合材料由于其密度低、導(dǎo)熱性能好、抗熱沖擊和抗疲勞性能好，特別是其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，被認(rèn)為是一種理想的航空航天領(lǐng)域高溫結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)剎車盤、核反應(yīng)堆以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴等部件。將C/C復(fù)合材料與TC4連接制成火箭噴管構(gòu)件，可大大降低重量，提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率。本文利用AgCuTi和TiZrNiCu（加緩沖層）兩種釬料來(lái)連接C/C復(fù)合材料與TC4，揭示了界面反應(yīng)機(jī)理，并對(duì)接頭微觀組織與力學(xué)性能關(guān)系

2、進(jìn)行了深入研究。
　　采用AgCuTi釬料時(shí)，接頭的界面結(jié)構(gòu)為C/C復(fù)合材料/TiC/TiCu/Ag(s.s)+Ti3Cu4+TiCu/Ti3Cu4/TiCu/Ti2Cu/Ti(s.s)+Ti2Cu/TC4；當(dāng)釬焊工藝參數(shù)改變時(shí)，接頭界面產(chǎn)物的種類沒(méi)有發(fā)生改變，但界面各反應(yīng)層的厚度均發(fā)生了相應(yīng)的變化。隨著釬焊溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，TiC/TiCu以及Ti3Cu4/TiCu/Ti2Cu/Ti(s.s)+Ti2Cu反應(yīng)層的厚度增

3、加，焊縫中心的Ag(s.s)+Ti3Cu4+TiCu反應(yīng)層厚度變小，TiCu+Ti3Cu4黑塊數(shù)量減少；當(dāng)釬焊溫度為1183K、保溫時(shí)間為600s時(shí)，接頭的抗剪強(qiáng)度最高，為25MPa，低于或高于此工藝參數(shù)時(shí)，接頭的抗剪強(qiáng)度下降；斷口分析表明，接頭斷裂的位置與被連接界面的碳纖維方向有關(guān)，當(dāng)碳纖維軸平行于連接面時(shí)，斷裂發(fā)生在復(fù)合材料中；當(dāng)碳纖維軸垂直于焊接面時(shí)，在釬焊溫度較低或適中的條件下，斷裂主要發(fā)生TiC層中。在釬焊溫度較高的條件下，斷

4、裂主要發(fā)生在TiC層以及TiCu/Ti2Cu界面處。
　　為降低接頭殘余應(yīng)力、提高接頭的高溫性能，采用TiZrNiCu釬料、Cu/Mo復(fù)合中間層對(duì)C/C復(fù)合材料與TC4進(jìn)行了連接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在較低工藝參數(shù)下，Cu/C/C復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)為Cu/Cu51Zr14/Ti2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+TiCu+Cu2TiZr/TiC/C/C復(fù)合材料。隨著工藝參數(shù)的提高，TiCu和Cu2TiZr反應(yīng)相逐漸消失，Ti(Cu,Ni)2

5、新相生成，此時(shí)的界面結(jié)構(gòu)為Cu/Cu51Zr14/Ti2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)2/TiC/C/C復(fù)合材料。釬焊工藝參數(shù)較高時(shí)界面結(jié)構(gòu)為Cu/Cu51Zr14/Cu(s.s)+Ti(Cu,Ni)2/TiC/C/C復(fù)合材料。隨著釬焊溫度的增加以及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，界面反應(yīng)層Cu51Zr14和TiC反應(yīng)層厚度增加；通過(guò)剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)釬焊溫度為1173K、保溫時(shí)間為300s時(shí)，接頭的室溫抗剪強(qiáng)度最大，為21MPa，

6、在923K時(shí)高溫抗剪強(qiáng)度可達(dá)到27MPa，可滿足實(shí)際應(yīng)用的需要；改變Cu箔厚度，接頭的室溫抗剪強(qiáng)度增加，但增加幅度不大，最高不超過(guò)23MPa；斷裂部位分析結(jié)果表明，當(dāng)碳纖維軸平行于連接面時(shí)，斷裂發(fā)生在復(fù)合材料中；當(dāng)碳纖維軸垂直于焊接面時(shí)，斷裂主要發(fā)生在C/C復(fù)合材料與釬料界面處的TiC層中。
　　利用有限元方法，模擬了C/C復(fù)合材料/TC4接頭殘余應(yīng)力的分布特征。結(jié)合斷口分析表明，接頭力學(xué)性能與斷裂部位主要與殘余剪應(yīng)力τxy有關(guān)。

7、最大剪應(yīng)力τxy分布在接頭邊緣的C/C復(fù)合材料/釬料界面處。采用AgCuTi釬料釬焊C/C復(fù)合材料與TC4時(shí)，在C/C復(fù)合材料/釬料界面應(yīng)力集中區(qū)域的剪應(yīng)力τxy低于采用TiZrNiCu直接連接C/C復(fù)合材料與TC4的應(yīng)力；當(dāng)采用TiZrNiCu釬焊C/C復(fù)合材料與TC4時(shí)，中間層的加入有利于緩和接頭殘余應(yīng)力，其中Cu/Mo復(fù)合中間層的緩和效果優(yōu)于單一中間層Cu和Mo；改變中間層的厚度對(duì)接頭剪應(yīng)力τxy的分布影響不大，但剪應(yīng)力τxy值隨