C/C复合材料与TC4钎焊接头组织及性能研究

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)+Ti3Cu4+TiCu/Ti3Cu4/TiCu/Ti2Cu/Ti(s.s)+Ti2Cu/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Ti3Cu4/TiCu/Ti2Cu/Ti(s.s)+Ti2Cu反应层的厚度增加，焊缝中心的Ag(s.s)+Ti3Cu4+TiCu反应层厚度变小，TiCu+Ti3Cu4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/Ti2Cu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/Cu51Zr14/Ti2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+TiCu+Cu2TiZr/TiC/C/C复合材料。随着工艺参数的提高，TiCu和Cu2TiZr反应相逐渐消失，Ti(Cu,Ni)2新相生成，此时的界面结构为Cu/Cu51Zr14/Ti2(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/Cu51Zr14/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Cu51Zr14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τxy有关。最大剪应力τxy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τxy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τxy的分布影响不大，但剪应力τxy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。

目录

C/C 复合材料与TC4 钎焊接头组织及性能研究

STUDY ON MICROSTRUCTURE AND

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 碳材料(C/C 复合材料)的特点及焊接存在的问题

1.3 碳材料连接技术研究现状

1.4 碳材料钎焊技术研究现状

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.3 性能测试及微观分析

2.2 试验设备与工艺

第3章 AgCuTi 钎焊C/C 复合材料与TC4 接头的组织与性能

3.1 引言

3.2 界面组织结构

3.3 工艺参数对接头界面结构的影响

3.4 钎焊工艺参数对接头抗剪强度的影响

3.5 钎焊接头的断裂位置及断口形貌分析

3.6 C/C 复合材料/AgCuTi/TC4 接头实体件

3.7 本章小结

第4章 TiZrNiCu 钎焊C/C 复合材料与TC4 接头的界面结构

4.1 引言

4.2 TiZrNiCu 直接钎焊C/C 复合材料与TC4

4.3 单层缓冲层钎焊连接C/C 复合材料与TC4

4.4 加入复合中间层钎焊连接C/C 复合材料与TC4

4.5 本章小结

第5章 加入缓冲层后C/C 复合材料/TC4 钎焊接头的力学性能

5.1 引言

5.2 C/C 复合材料/TC4 钎焊接头的力学性能

5.5 本章小结

5.3 C/C 复合材料/TC4 钎焊接头的断裂部位分析

5.4 C/C 复合材料/TC4 接头残余应力的有限元分析

第6章 C/C 复合材料/TC4 接头钎焊界面的连接机理及反应层成长行为

6.1 引言

6.2 AgCuTi 钎焊界面的连接机理

6.3 TiZrNiCu 钎焊界面的连接机理

6.4 钎焊界面的反应层成长行为

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

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致谢

个人简历