论文部分内容阅读
航空航天技术的快速发展伴随着对高温结构材料更高的性能要求,使得耐超高温陶瓷材料的研发及应用广受关注。其中,Zr C-Si C陶瓷（简称ZS陶瓷）作为一种新型的耐超高温陶瓷,耐热温度极高且抗氧化性优良,可作为新一代姿控发动机喷管构件制造材料。TC4钛合金作为熟知的航天航空常用材料,具有低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性以及抗疲劳性等特点。将ZS陶瓷与TC4钛合金进行可靠连接是ZS陶瓷实际应用于喷管构件的基础,既能满足其高温服役要求,又尽可能保证轻量化。陶瓷/金属钎焊体系中,陶瓷材料往往存在表面惰性问题难以和钎料形成冶金结合,而TC4钛合金容易发生过度溶解导致母材性能急剧下降。因此本文采用Cu-Zr合金体系对ZS陶瓷与TC4钛合金进行钎焊连接,揭示其接头形成过程。同时针对钎焊过程中存在的问题优化钎料成分,制备石墨烯增强复合钎料进一步提高钎焊接头质量,实现ZS陶瓷与TC4钛合金的高质量连接。采用Cu-54Zr对ZS陶瓷与TC4钛合金进行钎焊连接,接头典型界面组织结构为ZS陶瓷/Ti C/（Ti,Zr）2Cu+（Zr,Ti）2Cu+Ti（s,s）+（Ti,Zr）2Cu/Ti（s,s）+（Ti,Zr）2Cu/TC4钛合金。探究了钎焊工艺参数对接头组织和性能的影响,随钎焊温度和保温时间的增加,ZS陶瓷侧Ti C反应层及TC4侧溶解层厚度均增加,钎缝中Ti（s,s）+Ti2Cu体积分数逐渐增大,钎焊接头抗剪强度均先增大后减小。当钎焊温度为990℃、保温时间为10min,TC4母材溶解适度,TiC反应层连续,厚度均匀,接头达到最佳抗剪强度41MPa。结合热力学分析,总结钎焊过程中接头界面演化机制分为钎料熔化、元素互扩散、界面反应和组织稳定化四个阶段。然而,ZS陶瓷/Cu-54Zr/TC4钛合金体系钎焊接头的断裂位置均为ZS陶瓷母材,断裂面为拱形,说明此时较大的残余应力是导致钎焊接头失效的主要原因。为缓解钎焊接头残余应力,优化了钎料成分,采用Cu-12Zr对ZS陶瓷与TC4钛合金进行钎焊连接。同时在钎料中引入石墨烯作为增强相,为了保证石墨烯在复合钎料中均匀分散,采用PECVD方法在Cu粉表面原位生长垂直少层石墨烯（VFG）,与ZrH2粉末混合配制了VFG/Cu-12Zr复合钎料。探究得到了VFG最佳生长工艺参数:分散剂含量2wt.%、生长温度750℃、保温时间60min、气体压强600Pa、射频功率200W、气体通入量Ar:CH4=80:20。所制得的VFG在Cu粉表面分布均匀致密、形态良好。采用VFG/Cu-12Zr复合钎料钎焊连接ZS陶瓷和TC4,接头典型界面结构为ZS陶瓷/TiC/TiC+Ti2Cu+（Ti,Zr）Cu/Ti（s,s）+Ti2Cu/TC4钛合金。钎焊温度为990℃、保温时间为10min时,接头平均室温抗剪强度达到91MPa,相对Cu-54Zr钎料钎焊接头提高了122%,接头质量和可靠性得到显著改善。通过对比VFG/Cu-12Zr和Cu-12Zr钎焊ZS陶瓷与TC4钛合金接头的界面组织及性能,探究添加VFG对钎焊接头的影响。发现采用VFG/Cu-12Zr复合钎料的接头界面硬脆相Ti2Cu减少,韧塑性较好的（Ti,Zr）Cu相增多,ZS陶瓷侧出现断续的Ti C相,钎缝中TC4钛合金侧Ti（s,s）扩散层厚度占比减小,接头平均抗剪强度提高约20%。通过对界面反应产物热力学分析和接头残余应力理论计算,钎料中的VFG能够与TC4母材溶解的Ti元素发生反应,对界面组织进行调控,减少了钎缝中脆硬相Ti2Cu的占比;同时,VFG的添加降低了钎料的线膨胀系数,使接头残余应力下降11%,进一步提高了接头性能。