一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，具体涉及一种通过Cu-T1-Al活性钎料实现对C/SiC复合材料焊接的方法。
【背景技术】
[0002]C/SiC复合材料具有低密度、高强度、高模量、高热导、耐辐射、韧性好、高温力学性能优异等特点，在航空航天、新能源及交通运输等高技术领域具有广阔的应用前景。但欲实现C/SiC复合材料的工程应用，则需要制备复杂形状构件、修复受损材料以及进行封装等，这些会涉及到材料的连接。目前C/SiC复合材料的连接方式主要有机械连接、粘接、先驱体转化、反应成型、固相扩散、钎焊、在线液相渗透等，其中钎焊连接具有工艺简单、接头适用温度较高、密封性能好等优点，是一种非常具有实用价值和发展前景的连接方法。
[0003]从目前的公开报道来看，有关C/SiC复合材料钎焊连接的研究主要集中在C/SiC复合材料与金属的异质材料连接方面，而关于C/SiC复合材料自身之间的钎焊连接却鲜有报道。由于受C/SiC复合材料制备工艺限制，材料很难达到致密，通常存在裂纹和气孔等本征缺陷，孔隙率达到10%?20%。这样在钎焊连接过程中易导致在焊缝区形成气孔，同时易使熔化的焊料过多地渗入C/SiC复合材料内部，造成焊缝区残余的焊料太少，从而影响焊接质量，甚至导致连接失败。此外，C/SiC复合材料具有各向异性的特点，对其自身进行钎焊连接时，接头处于复杂的应力场，影响接头性能的因素也更加复杂。上述因素导致实现C/SiC复合材料自身有效的钎焊连接更加具有挑战性。采用传统的低温钎料获得的接头高温强度差，不适于高温条件下应用；而采用高温钎料则需在较高的温度下进行连接，如镍基焊料的连接温度通常高于1100°c，对母材损伤大。因此迫切需要开发一种能够在较低温度(ΙΟΟΟ?左右)下实施连接，而接头又具有良好高温强度的钎焊连接方法。
【发明内容】
[0004]本发明旨在克服现有C/SiC复合材料焊接方法的缺陷，本发明提供了一种通过Cu-T1-Al活性钎料实现对C/SiC复合材料低温焊接的方法。
[0005]本发明提供了一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，所述方法包括:
1)将Cu粉、Al粉、Ti源混合均匀，得到钎料粉末，加入粘结剂配制成钎料膏，其中，Ti源为Ti粉或TiH2粉；
2)将步骤I)中制备的钎料膏涂覆在经表面预处理的C/SiC复合材料之间，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC结构的预连接件；
3)将步骤2)中制备的预连接件干燥后，移至真空钎焊炉中进行钎焊。
[0006]本发明提供的钎焊连接，采用含有Cu、Al、和Ti的钎料，由于采用Cu基体，具有导热性、耐腐蚀性好，对母材损伤较小等优点。该钎料不会像Ti基钎料那样基体做为活性组分，在较高温度下长时间服役时与母材发生过量的反应，生成脆性物质而对接头产生持续损伤。钎料中Al元素一方面可以降低钎焊实施温度从而减小能耗和对母材的损伤，另一方面可以提高钎料的流动性及抗氧化性能，并促进SiC基复合材料与钎料之间的元素相互扩散。钎料中Ti元素主要有两方面作用。首先，通过与SiC基复合材料形成化学键合，提高钎料对母材的润湿性从而增大连接强度。其次，Ti元素可以与钎料中Al元素以及从母材扩散到钎料中的S1、C等元素发生反应，原位形成碳化钛、硅铝和硅钛化合物等粒子或晶须耐高温增强相，从而提高钎焊接头的连接强度尤其是高温强度。
[0007]较佳地，所述钎料粉末中，Al粉的重量百分含量为Iwt%?1wt优选3wt%?10wt%,更优选4wt% -7wt% ;钛源的百分含量为4wt%?18*1:%,优选7wt% -15wt% ;余量为Cu粉。
[0008]较佳地,所述钎料膏中粘结剂的加入量为所述钎料粉末的45wt%? 80wt%,优选50wt%?60wt%。若粘结剂太多,钎料膏中钎料粉末的含量太少而且不易涂覆；反之则达不到粘结作用而且容易在焊缝中形成孔洞。
[0009]较佳地,步骤I)中，粘结剂采用浓度为lwt%? 8wt%的聚乙烯缩丁酸的环己酮溶液。
[0010]较佳地，步骤2)中，涂覆在C/SiC复合材料表面的钎料膏的厚度为0.5?3mm。
[0011]较佳地，步骤3)中，焊接温度为900°C?1080°C，优选950°C?1020°C。具体焊接温度由具体钎料组成决定，一般来说，钎料中钛和铝含量越高，所需焊接温度越低；反之所需焊接温度越高。
[0012]较佳地，步骤3)中，钎焊的保温时间为I?30分钟，真空度高于1.0X 10 2Pa0
[0013]本发明的有益效果:
工艺简单易行，连接过程不需或只需施加很小的压力；连接实施温度较低，对母材损伤小；接头强度，特别是高温强度高。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的一个实施方式中三维针刺C/SiC复合材料钎焊接头的光学显微镜照片；
图2为本发明的一个实施方式中三维针刺C/SiC复合材料钎焊接头焊缝区的XRD图谱；
图3为测试试样剪切强度的装置；
图4为本发明的一个实施方式中C/SiC复合材料钎焊接头的剪切强度测试结果。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0016]本发明涉及C/SiC复合材料的钎焊连接方法，属于陶瓷基复合材料领域。本发明公开了一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，所述方法通过Cu-T1-Al活性钎料的组成设计，改善其对C/SiC复合材料的润湿性，利用钎料中的活性组分Ti与复合材料成分间原位反应生成的陶瓷相提高焊接区的耐温性能和高温强度，最终提供一种简单、可靠且具有应用价值的C/SiC复合材料钎焊连接方法。包括四个步骤:(I)配制Cu-T1-Al钎料膏；(2)对C/SiC复合材料待焊接面进行打磨、清洗和干燥处理；(3)在步骤(2)处理后的C/SiC复合材料表面涂覆Cu-T1-Al钎料膏，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC三明治结构的预连接件，并进行干燥；(4)将干燥后的预连接件移至真空钎焊炉进行连接。本方法可以在低于1000°C的温度下实施连接，且连接接头具有较高的高温强度。
[0017]一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，所述方法包括如下步骤:
(1)按照设计组成称取Cu粉、Ti(或TiH2)粉和Al粉，在玛瑙研钵中研磨混合均匀后，加入粘结剂(例如聚乙烯缩丁醛(PVB)的环己酮溶液)再混合均匀，配制成钎料膏；
(2)将C/SiC复合材料待焊接表面打磨平整，然后清洗干净、干燥；
(3)在经过步骤(2)处理的C/SiC复合材料表面涂覆钎料膏，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC三明治结构的预连接件，放入干燥箱中进行干燥；
(4)将步骤(3)中的预连接件移至真空钎焊炉中，进行连接。
[0018]Cu-T1-Al 针料中 Ti (或 TiH2)的含量可为 4wt % ?18wt %,优选 7wt_15wt % ；A1的含量为3wt%?1(^1:%,优选4wt% -7wt% ;其余为Cu。
[0019]Ti元素的来源为金属Ti或TiH2。
[0020]粘结剂PVB环己酮溶液的浓度可为Iwt%?8wt%,优选2wt% _5wt%,添加量可为钎料重量的45%?80%。
[0021]在C/SiC复合材料表面涂覆的钎料膏的厚度为0.5?3mm，优选I?2.5mm。
[0022]所述的一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，焊接温度为900°C?1080°C，优选950?1020°C，保温时间可为Imin?30min，真空度高于1.0X10 2Pa0
[0023]钎焊过程中钎料中的Ti组分与复合材料成分之间发生原位反应形成具有颗粒状、片状或晶须状的耐高温陶瓷增强相。
[0024]Cu基钎料具有流动性、导热性好，耐腐蚀，对C/SiC损伤小，价格相对便宜、适于大规模应用等优点，发展前景较好。若能通过调节Cu基钎料中的组分来降低钎焊实施温度而提高接头的高温强度，将具有非常种重要的现实意义。
[0025]该钎焊连接方法的机理为:
通过钎料中Ti元素与C/SiC复合材料表面形成化学键合，改善钎料对母材的润湿性，从而提高界面结合强度。通过钎料中Al元素提高钎料流动性，使C/SiC复合材料中的C和Si元素更容易扩散到钎料内部并与钎料中Ti元素发生化学反应，原位生成碳化钛、硅钛化合物等颗粒状、片状