C-C復合材料與TC4釬焊接頭組織及性能研究.pdf

1、近年來，隨著新型材料的發(fā)展，C/C復合材料由于其密度低、導熱性能好、抗熱沖擊和抗疲勞性能好，特別是其優(yōu)異的高溫強度，被認為是一種理想的航空航天領域高溫結構材料，已經成功應用于飛機剎車盤、核反應堆以及火箭發(fā)動機噴嘴等部件。將C/C復合材料與TC4連接制成火箭噴管構件，可大大降低重量，提高火箭發(fā)動機效率。本文利用AgCuTi和TiZrNiCu（加緩沖層）兩種釬料來連接C/C復合材料與TC4，揭示了界面反應機理，并對接頭微觀組織與力學性能關系

2、進行了深入研究。
　　采用AgCuTi釬料時，接頭的界面結構為C/C復合材料/TiC/TiCu/Ag(s.s)+Ti3Cu4+TiCu/Ti3Cu4/TiCu/Ti2Cu/Ti(s.s)+Ti2Cu/TC4；當釬焊工藝參數(shù)改變時，接頭界面產物的種類沒有發(fā)生改變，但界面各反應層的厚度均發(fā)生了相應的變化。隨著釬焊溫度的升高或保溫時間的延長，TiC/TiCu以及Ti3Cu4/TiCu/Ti2Cu/Ti(s.s)+Ti2Cu反應層的厚度增

3、加，焊縫中心的Ag(s.s)+Ti3Cu4+TiCu反應層厚度變小，TiCu+Ti3Cu4黑塊數(shù)量減少；當釬焊溫度為1183K、保溫時間為600s時，接頭的抗剪強度最高，為25MPa，低于或高于此工藝參數(shù)時，接頭的抗剪強度下降；斷口分析表明，接頭斷裂的位置與被連接界面的碳纖維方向有關，當碳纖維軸平行于連接面時，斷裂發(fā)生在復合材料中；當碳纖維軸垂直于焊接面時，在釬焊溫度較低或適中的條件下，斷裂主要發(fā)生TiC層中。在釬焊溫度較高的條件下，斷

4、裂主要發(fā)生在TiC層以及TiCu/Ti2Cu界面處。
　　為降低接頭殘余應力、提高接頭的高溫性能，采用TiZrNiCu釬料、Cu/Mo復合中間層對C/C復合材料與TC4進行了連接，結果發(fā)現(xiàn)，在較低工藝參數(shù)下，Cu/C/C復合材料界面結構為Cu/Cu51Zr14/Ti2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+TiCu+Cu2TiZr/TiC/C/C復合材料。隨著工藝參數(shù)的提高，TiCu和Cu2TiZr反應相逐漸消失，Ti(Cu,Ni)2

5、新相生成，此時的界面結構為Cu/Cu51Zr14/Ti2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)2/TiC/C/C復合材料。釬焊工藝參數(shù)較高時界面結構為Cu/Cu51Zr14/Cu(s.s)+Ti(Cu,Ni)2/TiC/C/C復合材料。隨著釬焊溫度的增加以及保溫時間的延長，界面反應層Cu51Zr14和TiC反應層厚度增加；通過剪切試驗發(fā)現(xiàn)當釬焊溫度為1173K、保溫時間為300s時，接頭的室溫抗剪強度最大，為21MPa，

6、在923K時高溫抗剪強度可達到27MPa，可滿足實際應用的需要；改變Cu箔厚度，接頭的室溫抗剪強度增加，但增加幅度不大，最高不超過23MPa；斷裂部位分析結果表明，當碳纖維軸平行于連接面時，斷裂發(fā)生在復合材料中；當碳纖維軸垂直于焊接面時，斷裂主要發(fā)生在C/C復合材料與釬料界面處的TiC層中。
　　利用有限元方法，模擬了C/C復合材料/TC4接頭殘余應力的分布特征。結合斷口分析表明，接頭力學性能與斷裂部位主要與殘余剪應力τxy有關。

7、最大剪應力τxy分布在接頭邊緣的C/C復合材料/釬料界面處。采用AgCuTi釬料釬焊C/C復合材料與TC4時，在C/C復合材料/釬料界面應力集中區(qū)域的剪應力τxy低于采用TiZrNiCu直接連接C/C復合材料與TC4的應力；當采用TiZrNiCu釬焊C/C復合材料與TC4時，中間層的加入有利于緩和接頭殘余應力，其中Cu/Mo復合中間層的緩和效果優(yōu)于單一中間層Cu和Mo；改變中間層的厚度對接頭剪應力τxy的分布影響不大，但剪應力τxy值隨