【摘 要】
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C/C复合材料具有比强度高以及热膨胀系数低等优点,是一种重要的轻质高温结构材料。Si Cf/Si C复合材料具有优异的高温力学性能和抗氧化性能,在航空航天领域的热端部件有着重要的应用。为了发挥两种复合材料各自的性能优势,扩宽其可能的应用范围,本文采用Si基高温钎料对两种材料进行钎焊研究。提出了反应熔渗结合钎焊的两步连接技术,在C/C复合材料钎焊接头中引入熔渗结构,设计了热膨胀系数梯度过渡的接头。分
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C/C复合材料具有比强度高以及热膨胀系数低等优点,是一种重要的轻质高温结构材料。Si Cf/Si C复合材料具有优异的高温力学性能和抗氧化性能,在航空航天领域的热端部件有着重要的应用。为了发挥两种复合材料各自的性能优势,扩宽其可能的应用范围,本文采用Si基高温钎料对两种材料进行钎焊研究。提出了反应熔渗结合钎焊的两步连接技术,在C/C复合材料钎焊接头中引入熔渗结构,设计了热膨胀系数梯度过渡的接头。分别深入探究了Si基高温钎料与C/C和Si Cf/Si C复合材料的界面结构和形成机理,并通过调控C/C–Si Cf/Si C接头组织实现力学性能的优化,获得了高温性能优异的异种材料钎焊接头。首先研究了Si-14Ti共晶钎料对低致密度C/C复合材料的熔渗行为,建立了钎料熔体对母材多孔结构的反应熔渗模型,阐明了熔渗高度与孔径尺寸、反应时间的关系。利用熔体在C/C表层生成的Si C高温陶瓷相封孔,从而实现后续钎焊过程中钎料的可控渗入,孔隙中的Si C和Si-Ti Si2熔渗结构强化了C/C母材。通过熔渗工艺的优化,在1400℃得到组织致密的沉积层,起到了良好的封孔效果。进一步研究了Si-14Ti共晶钎料对熔渗改性C/C复合材料的钎焊,接头钎缝由Si基体和Ti Si2增强相构成,钎缝与母材之间形成了致密的Si C反应层。通过优化钎焊工艺参数实现了接头的微观组织调控,得到了Ti Si2微米阵列增强的C/C接头。在1400℃保温90 min获得的接头具有最佳室温抗剪强度约41 MPa,断口形貌表明,拔出的碳纤维和细化Ti Si2相有助于增强接头的力学性能。接头在1000℃测试的高温抗剪强度约为46 MPa,断裂主要发生在Si C界面反应层。采用Si-14Ti共晶钎料钎焊熔渗改性的低致密度C/C复合材料接头虽具有优异的力学性能,但其两步连接的工艺较为复杂,且钎焊保温时间过长,因此开展了Si-14Ti和熔点较高的Si-10Zr共晶钎料对高致密度C/C复合材料的直接钎焊研究。首先对比了Si-14Ti共晶钎料钎焊高致密度与改性低致密度C/C的接头组织,由于高致密度C/C接头中的渗入强化结构较少,接头的室温抗剪强度仅约为22MPa。Si-10Zr共晶钎料对C/C的润湿行为表明,钎料对母材具有优异的润湿性,最终接触角可达22°。C/C–Si-Zr–C/C接头钎缝由Si和Zr Si2共晶组织构成,钎缝与母材之间形成了Si C界面反应层。随着钎焊温度升高,Zr Si2相平均尺寸从85μm~2降为19μm~2,Si C界面层逐步生长,而钎缝呈变窄趋势,接头的室温抗剪强度提高至约32 MPa。探究Si钎料与C/C复合材料之间的界面结构,TEM分析表明,接头界面处的Si C反应层由纳米Si C层和微米Si C层构成。纳米Si C层中包含α-Si C和β-Si C晶型;微米Si C层主要为β-Si C相。纳米Si C层具有高密度堆垛层错和晶界,为微米Si C层的形成提供了C扩散通道。Si基共晶钎料钎焊高致密度C/C复合材料获得的接头具有可靠的力学性能,因此分别采用Si-14Ti和Si-10Zr共晶钎料钎焊了Si Cf/Si C与高致密度C/C两种复合材料。研究表明,共晶钎料对Si Cf/Si C复合材料具有良好的润湿。C/C–Si Cf/Si C接头的钎缝由共晶组织构成,钎缝与两侧母材的界面均形成了厚度约为4～19μm的Si C反应层,并且钎料渗入到两侧母材中形成钉扎结构,尤其是在Si Cf/Si C母材一侧。探究了Si Cf/Si C一侧界面反应层的形成机理,Si钎料直接与Si C基体连接,界面处无反应物生成;而在Si C纤维束表面生成了新的粗晶Si C反应层,该反应层的形成主要来自于Si C纤维中Si C纳米晶的溶解和再析出长大。该反应层与Si C纤维间还存在一层富Ti或富Zr的扩散层。通过优化钎焊工艺参数,C/C–Si-Zr–Si Cf/Si C接头表现出较高的室温抗剪强度,约为38 MPa,其高温（1000℃）抗剪强度约为45 MPa,说明接头具有良好的高温应用前景。
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