锂霞石辅助钎焊C/C复合材料与Nb工艺及机理研究

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在航空航天领域,C/C复合材料被认为是一种理想的高温结构材料,常将其与金属进行连接,以达到火箭发动机喷管对材料性能及整体轻量化的要求。C/C复合材料具有高温性能优异、抗冲击、烧蚀性能优良、强度高、密度小等优点。实际应用中,C/C复合材料常作为功能构件与金属Nb进行钎焊连接使用,但由于两者之间的热物理性能差异过大,接头中容易产生较大的残余应力,严重影响接头质量。因此,本课题引入具有负热膨胀系数的锂霞石(LAS),通过锂霞石颗粒增强复合钎料、锂霞石增强铜基复合中间层及网状锂霞石中间层三种方式加入负膨胀增强相锂霞石,改善钎缝的热物理性能,有效缓解接头中过高的残余应力,以获得优良可靠的接头。使用AgCuTi钎料钎焊C/C复合材料与Nb,得到最佳工艺参数:钎焊温度880℃、保温时间10min。直接向AgCuTi钎料中加入锂霞石颗粒以降低钎料热膨胀系数,研究表明,添加锂霞石可有效缓解残余应力,使接头强度得以提升。但含量过大时,也会使钎缝中的孔洞增多增大,反应层厚度减薄明显。同时,随着复合钎料中Ti含量的提高,反应层厚度提高,锂霞石分布趋于均匀,接头质量得以改善;但当Ti含量过高时,锂霞石与Ti反应加剧,消耗大量锂霞石的同时,生成硬度值较大、弹性模量高的Cu3Ti3O,不利于残余应力缓解。当加入10vol%锂霞石及10vol%TiH2时,接头剪切强度提高为24.8MPa。为了能够显著提高锂霞石的有效添加量,采用锂霞石增强铜基复合中间层的方式加入锂霞石,并采用真空热压烧结法自行制备了锂霞石增强铜基复合中间层。研究表明,以该种方式加入锂霞石,可加入的量明显增加,显著降低钎缝热膨胀系数,Cu通过塑性变形进一步缓解残余应力,同时,铜基复合中间层能够有效减少内部锂霞石与Ti之间的反应。但当复合中间层厚度及锂霞石含量过大时,复合中间层表面的锂霞石与AgCuTi钎料反应增多,消耗钎料中的Ti,导致C/C复合材料侧TiC反应层减薄,最终导致接头强度下降。当使用300μm厚、40vol%的锂霞石增强铜基复合中间层时,接头的剪切强度达到43.8MPa。由于网络结构有利于残余应力的缓解,可以保证锂霞石的均匀分散性,设计制备了网状锂霞石材料,探究并得到最佳工艺参数为升温速率2℃/min,煅烧温度1300℃,保温时间3h。研究表明,使用网状锂霞石中间层时,钎料能够很好的填充进网状锂霞石,钎缝中大量Cu(s,s)相出现,有利于残余应力的缓解。随着网状锂霞石孔隙密度的上升,锂霞石含量增大,残余应力得到缓解。但当孔隙密度过大时,反应层厚度减小明显。通过在网状锂霞石表面蒸镀Cu/Ti的方式可以减弱锂霞石对AgCuTi钎料中Ti元素的消耗,使反应层厚度和接头强度得以提高。使用50PPI孔隙密度、表面蒸镀Cu/Ti的网状锂霞石中间层时,接头的剪切强度达到51.3MPa。
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