专利名称：：一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法
技术领域：
：本发明属于碳/碳复合材料焊接领域，适用于碳/碳复合材料及与其它异种材料的连接。技术背景碳/碳复合材料具有密度小(约为2.0g/cm3)、重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等优点，对未来防御、航空航天的竞争和发展极为重要。碳/碳复合材料在工程上应用时需制成构件，必然要碰上焊接问题，包括其自身的焊接及与其它材料的焊接。碳/碳复合材料的特殊晶体结构和物理、化学性能，使得其连接存在困难，首先，碳/碳复合材料的化学结构稳定，难与其它的金属或非金属发生化学反应，且碳/碳复合材料与其它材料之间有很高的界面能，连接时难形成良好的冶金结合；其次，碳/碳复合材料与其它金属材料的热膨胀系数相差悬殊，造成界面两侧的热力学不匹配，因此从连接温度冷却下来后会产生很高的残余应力，使接头的断裂强度降低，甚至开裂，因此要实现碳/碳复合材料自身及与其它金属材料之间的冶金结合非常困难。目前，碳/碳复合材料连接的方法之一是用耐熔金属或碳/碳复合材料本身制成的螺栓进行固定，但这种接头的室温剪切强度较差。还有采用钎焊和扩散连接进行焊接，但钎焊后接头的室温剪切强度为0.955.48MPa，无法实现有效的可靠连接；采用钛箔扩散连接，所需反应温度达10001350°C，焊接压力为2030MPa，成本较高，且接头的抗剪切强度仅为2840MPa。由于有上述问题的存在，因此要实现碳/碳复合材料可靠的冶金结合非常困难，用常规的焊接材料和工艺方法无法获得可靠的连接，且成本较高，这几乎已成为碳/碳复合材料应用的最大障碍。
发明内容本发明目的是为了解决现有扩散连接碳/碳复合材料的方法存在连接温度高、在接头局部处金属变形大以及接头性能差的问题，而提供一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法。本发明中一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法按以下步骤实施一、扩散连接前对母材表面进行清理；二、把扩散中间层均匀的置于待焊母材的连接面上；扩散连接中间层为置氢钛或钛合金箔片，扩散连接中间层的厚度30lOOpm;三、将夹装好的焊件置于真空扩散焊机内进行加热，在真空度为1.33Xl(^4.0Xl(^Pa真空条件下进行扩散连接；四、焊接结束后焊件在原真空条件下降温至10(TC时撤压，降温到室温时，取出焊件。所述的置氢钛的含氢量为0.20.6wt%。本发明原理如下采用氢含量0.20.6^%(重量)的钛或钛合金箔片作为扩散连接中间层，利用钛在扩散连接温度下对碳/碳复合材料中的碳具有较高的化学亲和力，能与碳/碳复合材料相互作用，形成反应产物，并通过生成的反应产物使碳/碳复合材料牢固地连接在一起；而且由于氢导致钛或钛合金热变形流动应力的下降，热塑性的增加，从而使置氢钛或钛合金在高温下易于变形；而且氢在钛或钛合金中的自扩散和溶质扩散能力较高，特别是在e相内的扩散能力更高，同时氢可以加速合金元素的扩散，降低原子结合能，减小扩散激活能，提高扩散协调变形能力，可以在相对较低的温度下实现碳/碳复合材料接头可靠的扩散连接。另外，置氢钛或钛合金在真空扩散连接加热过程中发生脱氢，当温度达到60(TC时，氢开始逸出，当温度迅速升高达到连接温度时，氢急剧向外逸出，逸出的氢与材料表面氧化膜发生反应，这种还原反应十分有利于氧化膜的去除，有助于縮短扩散连接时间，促进扩散连接进程。针对于碳/碳复合材料的真空扩散连接，与常规的直接扩散连接或采用普通钛箔作为中间层的扩散连接方法相比，本发明提出的以置氢钛或钛合金作为中间层的真空扩散连接方法及工艺，扩散连接温度可降低100300°C，本发明扩散连接碳/碳复合材料与碳/碳复合材料和碳/碳复合材料与其它金属材料的剪切强度提高了20220%，接头处金属无明显形变。图1是碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/碳/碳复合材料扩散连接工艺曲线示意图，图2是碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/TC4钛合金扩散连接工艺曲线示意图，图3是碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/TiAl金属间化合物扩散连接工艺曲线示意图，图4是碳/碳复合材料/Ti600(置氢钛合金箔片)/SiC陶瓷扩散连接工艺曲线示意图，图1-4中的T代表扩散连接温度，P代表扩散连接压力，t代表扩散连接时间。具体实施方式具体实施方式一本实施方式一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法按以下步骤实施一、扩散连接前对母材表面进行清理；二、把扩散中间层均匀的置于待焊母材的连接面上；扩散连接中间层为置氢钛或钛合金箔片，扩散连接中间层的厚度30100^im;三、将夹装好的焊件置于真空扩散焊机内进行加热，在真空度为1.33X10—s4.0Xl(^Pa真空条件下进行扩散连接；四、焊接结束后焊件在原真空条件下降温至10(TC时撤压，降温到室温时，取出焊件。本实施方法中扩散连接工艺参数应按照母材的不同采用相应的扩散连接温度、扩散连接压力和扩散连接时间。具体实施方式二本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤一中对母材表面进行清理采用物理清理、化学清理或者先物理清理后化学清理；所述物理清理是依次用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂纸逐级磨光；所述化学清理是根据母材的不同而配制相应的腐蚀液以去除母材表面的吸附层、杂质或氧化膜，然后用丙酮擦拭待焊母材表面或把母材放在丙酮溶液中用超声波清洗。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤二中扩散连接中间层的厚度3080nm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式四本实施方式与具体实施方式三的不同是步骤二中扩散连接中间层的厚度50|im。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。具体实施方式五本实施方式与具体实施方式四的不同是步骤二中扩散连接中间层的厚度70|im。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。具体实施方式六本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤二中置氢钛的含氢量为0.20.6wtn/。(重量)。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式七本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤二中置氢钛的含氢量为0.30.5wt。/。(重量)。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。具体实施方式八本实施方式与具体实施方式七的不同是步骤二中置氢钛的含氢量为0.4wt。/。(重量)。其它步骤及参数与具体实施方式七相同。具体实施方式九本实施方式与具体实施方式一的不同是步骤三中加热方式采用感应加热。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式十本实施方式扩散连接母材为碳/碳复合材料，碳/碳复合材料所用的碳纤维针剌毡预制体为无纬布和网胎交替叠层，相邻无纬布层中的碳纤维排布方向互成90°。扩散连接中间层材料采用置氢钛合金(TC4)箔片，氢含量0.3%(重量百分比)，厚度为3050iim。采用感应加热真空扩散焊机。加热设备均采用油压加压，真空度1.33Xl(T34.0Xl(T3Pa，焊接过程各工艺参数可程序控制和手动控制。碳/碳复合材料母材被焊接表面用400#、500#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光，然后放在丙酮溶液中用超声波清洗。把置氢钛合金中间层置于清洗后的待焊母材表面，然后进行夹装，注意防止焊件的错边。焊件安装完毕后关闭真空室，打开真空泵，待真空度达到1.33X10—34.0X10^Pa时，接通电源进行焊接，焊接工艺规范参数曲线如图1。焊接结束后，切断电源，焊件在原真空条件下降温至10(TC时撤压，降温到室温时，从真空室中取出焊件，其目的是为了防止焊件在高温下发生氧化。碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/碳/碳复合材料的扩散连接表明碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/碳/碳复合材料扩散连接接头室温剪切强度可达3842MPa，比在相同扩'散连接温度(IOOO'C)、扩散连接时间(60min)、扩散连接压力(lOMPa)下的碳/碳复合材料/钛箔/碳/碳复合材料扩散连接接头强度(室温剪切强度为2830MPa)高2550%;与高扩散连接温度条件下(扩散连接温度为1200°C、扩散连接时间60min、扩散连接压力lOMPa)连接的碳/碳复合材料/钛箔/碳/碳复合材料扩散连接接头强度(室温剪切强度为3840MPa)相当，扩散连接温度降低了20(TC。具体实施方式十一本实施方式扩散连接碳/碳复合材料与TC4钛合金，碳/碳复合材料所用的碳纤维针刺毡预制体为无纬布和网胎交替叠层，相邻无纬布层中的碳纤维排布方向互成90°。扩散连接中间层材料采用置氢钛合金(TC4)箔片，氢含量0.5%(重量)，厚度为50邦。焊接工艺规范参数曲线如图2。其它步骤及参数与具体实施方式十相同。碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/TC4钛合金的扩散连接表明碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/TC4钛合金扩散连接接头室温剪切强度可达3032MPa，比在相同扩散连接温度(900°C)、扩散连接时间(60min)、扩散连接压力(lOMPa)下的碳/碳复合材料/TC4钛合金直接扩散连接接头强度(室温剪切强度为1213MPa)高130220%;与高扩散连接温度条件下(扩散连接温度为1200°C、扩散连接时间60min、扩散连接压力lOMPa)连接的碳/碳复合材料/TC4钛合金直接扩散连接接头强度(室温剪切强度为3234MPa)相当，扩散连接温度降低了300"C。具体实施方式十二本实施方式扩散连接碳/碳复合材料与TiAl金属间化合物，碳/碳复合材料所用的碳纤维针剌毡预制体为无纬布和网胎交替叠层，相邻无纬布层中的碳纤维排布方向互成90°，TiAl金属间化合物的化学成分见表1。扩散连接中间层材料采用置氢钛合金(TC4)箔片，氢含量为0.4%(重量)，厚度为100pm。焊接工艺规范参数曲线如图3，扩散连接温度1050°C，扩散连接压力为lOMPa，扩散连接时间为60min。其它步骤及参数与具体实施方式十相同。表1TiAl金属间化合物母材的成分(at。/。原子百分比)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>碳/碳复合材料/TC4(置氢钛)/TiAl金属间化合物的扩散连接接头室温抗剪切强度可达4042MPa。具体实施方式十三本实施方式扩散连接碳/碳复合材料与SiC陶瓷，碳/碳复合材料所用的碳纤维针刺毡预制体为无纬布和网胎交替叠层，相邻无讳布层中的碳纤维排布方向互成90。，SiC陶瓷是在SiC粉中加入23wt。/。(重量百分比)的Al203烧结剂后常压烧结而成。扩散连接中间层材料采用置氢钛合金(Ti600，Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y(wt,o/。重量百分比))箔片，氢含量为0.6%(重量)，厚度为50pm。焊接工艺规范参数曲线如图4，扩散连接温度105(TC，扩散连接压力为lOMPa,扩散连接时间为60min。其它步骤及参数与具体实施方式十相同。碳/碳复合材料/Ti600(置氢钛合金箔片)/SiC陶瓷的扩散连接接头室温抗剪切强度可达3842MPa。权利要求1、一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，是通过下述步骤实现的一、扩散连接前对母材表面进行清理；二、把扩散中间层均匀的置于待焊母材的连接面上；扩散连接中间层为置氢钛或钛合金箔片，扩散连接中间层的厚度30～100μm；三、将夹装好的焊件置于真空扩散焊机内进行加热，在真空度为1.33×10-3～4.0×10-3Pa真空条件下进行扩散连接；四、焊接结束后焊件在原真空条件下降温至100℃时撤压，降温到室温时，取出焊件；其特征在于扩散连接中间层为置氢钛或钛合金箔片，扩散连接中间层的厚度30～100μm。2、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤一中对母材表面进行清理采用物理清理、化学清理或者先物理清理后化学清理。3、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述物理清理是依次用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂纸逐级磨光；所述化学清理是根据母材的不同而配制相应的腐蚀液以去除母材表面的吸附层、杂质或氧化膜，然后用丙酮擦拭待焊母材表面或把母材放在丙酮溶液中用超声波清洗。4、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤二中扩散连接中间层的厚度308(Vm。5、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤二中扩散连接中间层的厚度50pm。6、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤二中扩散连接中间层的厚度70pm。7、根辯权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤二中置氢钛的含氢量为0.20.6wt%。8、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于在步骤二中置氢钛的含氢量为0.30.5wt%。9、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于在步骤二中置氢钛的含氢量为0.4wt%。10、根据权利要求1所述的一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，其特征在于在步骤三中加热方式釆用感应加热。全文摘要一种真空扩散连接碳/碳复合材料的方法，它属于碳/碳复合材料焊接领域。本发明解决了现有扩散连接碳/碳复合材料的方法存在连接温度高、在接头局部处金属变形大以及接头性能差的问题。本发明的步骤如下一、对母材表面进行清理；二、把扩散中间层均匀的置于待焊母材的连接面上；三、将夹装好的焊件进行扩散连接；四、降温，即得到连接好的焊件。本发明的扩散连接温度降低了100～300℃，本发明扩散连接碳/碳复合材料与碳/碳复合材料和碳/碳复合材料与其它金属材料的剪切强度提高了20～220％，接头处金属无明显形变。文档编号B23K20/16GK101161397SQ20071014468公开日2008年4月16日申请日期2007年11月28日优先权日2007年11月28日发明者鹏何,冯吉才,宏刘,伦王,明王申请人:哈尔滨工业大学