CMCs與金屬的焊接接頭設(shè)計(jì)與殘余應(yīng)力分析.pdf

1、陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)特別是C/C、C/SiC以其優(yōu)異的高溫綜合性能，在航空、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，并已成為熱端部件的首選材料。解決好CMCs與金屬的連接是推動(dòng)CMCs工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，由于CMCs與金屬材料在化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)和性能上存在極大的差異，無(wú)法采用傳統(tǒng)的焊接方法進(jìn)行連接，其中材料的熱失配引起接頭的殘余應(yīng)力是影響接頭成形的主要因素。因此，進(jìn)行CMCs-金屬接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及殘余應(yīng)力分析，并實(shí)驗(yàn)研究其焊接成

2、形工藝，對(duì)于開(kāi)發(fā)CMCs-金屬連接技術(shù)具有極其重要的意義。 本文選取C/SiC和C/C作為CMCs，選取Nb合金和Ti合金作為金屬。采用“厚Cu+薄Ti”復(fù)合中間層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“部分瞬間液相擴(kuò)散焊”(PTLP-DB)，和直接連接的“熔敷+擴(kuò)散焊”兩種連接方法，從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面開(kāi)展了CMCs與金屬的焊接技術(shù)研究。設(shè)計(jì)了平直界面和鋸齒型界面兩種連接界面結(jié)構(gòu)。利用有限元法對(duì)焊后接頭殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3、明，在“厚Cu+薄Ti”中間層設(shè)計(jì)中，Ti-Cu反應(yīng)產(chǎn)生的共晶液相，能夠潤(rùn)濕CMCs(C/SiC)表面，并滲入其內(nèi)部，形成“釘扎結(jié)構(gòu)”，從而表現(xiàn)出很好的焊接性。計(jì)算結(jié)果表明，隨著殘留Cu中間層厚度的增加，接頭中各方向的殘余應(yīng)力值明顯減小，C/SiC一側(cè)的應(yīng)變能也隨之降低，應(yīng)力緩釋效果明顯。為了有效地緩解殘余應(yīng)力，殘留Cu中間層的厚度需大于0.5mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，當(dāng)殘留Cu中間層的厚度大于0.5mm時(shí)，可以有效地保證接頭焊后的完整性，

4、此時(shí)，C/SiC-Nb合金接頭的最高剪切強(qiáng)度達(dá)到了34.1MPa．。當(dāng)接頭設(shè)計(jì)為CMCs中的C纖維垂直于焊接面時(shí)，會(huì)降低平行于焊接面方向上的應(yīng)力值，同時(shí)，CMCs一側(cè)的應(yīng)變能明顯減小，有利于接頭力學(xué)性能的提高。 對(duì)采用“熔敷+擴(kuò)散焊”方法得到的2D C/C-Ti合金焊接接頭，計(jì)算結(jié)果表明，與平直界面相比，鋸齒型界面能夠?qū)⒋蟛糠謿堄鄳?yīng)力轉(zhuǎn)移到連接界面附近的金屬區(qū)域內(nèi)(即強(qiáng)韌性較高的區(qū)域)，而使大部分的連接界面及其附近的C/C區(qū)域(