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淺談碳碳復(fù)合材料和高溫合金的焊接
高溫合金抗氧化性能好，抗熱腐蝕性能優(yōu)異，工作溫度高，組織穩(wěn)定且有害相少，能在較高溫度與應(yīng)力的環(huán)境下工作，它廣泛地應(yīng)用于制造航空發(fā)動機、各類燃氣輪機的最熱端部件，如渦輪部分的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等部件。C/C復(fù)合材料在室溫時強度較低且制備周期長、成本高，而C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金連接后質(zhì)量輕、承載能力高、高溫壽命長。鎳基釬料是C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金釬焊的最常用釬料。
吳永智等人使用BNi68CrWB釬料釬焊C/C復(fù)合材料和GH600高溫合金。釬焊溫度為1 150 ～1 200 ℃，保溫10 min。試驗表明，Ni不與C形成化合物，該釬焊溫度也達不到Si與C的反應(yīng)溫度。接頭處主要是Ni與Si，Cr與C發(fā)生反應(yīng)形成化合物促進釬料與母材的潤濕。焊后接頭室溫剪切強度為50 MPa，在700 ℃下的剪切強度為22 MPa。接頭斷裂破壞的主要因素為各部分材料熱膨脹系數(shù)差距較大導(dǎo)致的受熱位錯。在釬焊過程中，B由于無法向C/C復(fù)合材料擴散，反而與W在釬料母材界面處形成大塊不均勻的WB化合物也是導(dǎo)致斷裂的原因。接頭的高溫剪切強度受C/C復(fù)合材料氧化的影響而下降。
C/C復(fù)合材料與高溫合金不互溶，熱膨脹系數(shù)差異大，因此直接將C/C復(fù)合材料與高溫合金連接在一起效果并不理想。對C/C復(fù)合材料進行表面處理或者在釬料中添加一些促進潤濕的物質(zhì)能夠改善釬焊接頭的強度。
郭領(lǐng)軍等人 使用Ni-Ti粉末作為連接材料真空擴散連接C/C復(fù)合材料和GH3128高溫合金，一組C/C復(fù)合材料表面不作處理，一組C/C復(fù)合材料表面涂敷SiC涂層。擴散焊加熱溫度為1 050～1 250 ℃，加壓8～20 MPa，保溫60 min。結(jié)果發(fā)現(xiàn)未涂敷SiC涂層時，所獲得的接頭抗剪強度幾乎為0；而涂敷SiC涂層時，在不同的加熱溫度下，接頭的剪切強度差距較大，在加熱溫度為1 170 ℃時可以獲得剪切強度為23 MPa的接頭，而在1 130～1 150 ℃時，接頭有明顯的裂紋缺陷，因此剪切強度較低。經(jīng)過分析，SiC涂層一方面能夠增強Ti,Ni等元素對C/C復(fù)合材料的潤濕性，另一方面可緩解因C/C復(fù)合材料與GH3128高溫合金熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
田曉羽等人通過添加TiH2的BNi2粉狀釬料釬焊C/C復(fù)合材料和GH99鎳基高溫合金，釬焊溫度為1 170 ℃，保溫時間為1 h，分別采用含TiH2量為1%,3%,8%的釬料進行釬焊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)釬料中含TiH2量為3%時獲得的接頭性能最好。原因在于TiH2中的Ti能夠促進C/C復(fù)合材料向釬縫中的擴散，產(chǎn)生彌散的MC顆粒，降低C/C復(fù)合材料基體與釬縫的不匹配程度，緩
解殘余應(yīng)力；但釬料中TiH2含量過多時，釬縫中會產(chǎn)生大量的片狀TiC，降低接頭的塑性變形能力。采用含3% TiH2的BNi2釬料進行釬焊時獲得的接頭抗剪強度在室溫為40 MPa，在800 ℃可達19 MPa，明顯高于僅用BNi2釬料進行釬焊獲得的接頭。
張鑫等人使用BNi5釬料真空釬焊C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金GH3044，釬料呈粉狀，釬焊溫度為1 180 ℃，保溫30 min。進行兩組試驗，其中一組C/C復(fù)合材料表面SiC改性，另一組復(fù)合材料表面不作處理。結(jié)果表明，使用BNi5釬料可以成功焊接經(jīng)過表面SiC改性的C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金GH3044，而焊接未經(jīng)表面改性的C/C復(fù)合材料時在C/C復(fù)合材料與釬料界面會產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過分析，一方面SiC涂層有效的減緩了C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金因為熱膨脹系數(shù)相差較大產(chǎn)生的熱應(yīng)力；另一方面，釬料與表面改性的C/C復(fù)合材料反應(yīng)形成的中間層具有一定的韌塑性致使斷裂發(fā)生在C/C復(fù)合材料一側(cè)。獲得的接頭常溫下剪切強度達到35.08 MPa，接頭界面為C/C/Ni(s.s)+Cr7C3+Ni3Si/Ni(s.s)+Cr3C2+Ni3Si/Ni(s.s)+Cr3C2+MC+Ni3Si/Ni3Si+MC+Ni(s.s)/GH3044,s.s表示固溶體。
沈元勛等人通過Ag-Cu釬料釬焊C/C復(fù)合材料和鎳基高溫合金，鎳基高溫合金的成分為Ni-20Cr-8W-7.5Mo-2Fe-0.6Al-0.5Ti (質(zhì)量分數(shù)，%)。Al2O3夾層的厚度為2 mm，釬料為箔狀A(yù)g-28Cu，厚度為250 μm。進行三組試驗，第一組不使用Al2O3夾層直接釬焊；第二組在兩層釬料中夾持Al2O3層；第三組不僅在兩層釬料中夾持Al2O3層而且對C/C復(fù)合材料表面進行激光打孔處理。釬焊溫度為910 ℃，保溫10 min。焊后第一組接頭彎曲強度只有16 MPa，第二組接頭彎曲強度為33 MPa，第三組接頭彎曲強度為73 MPa，這說明添加Al2O3夾層，對C/C復(fù)合材料表面進行打孔處理均能提高釬焊接頭的彎曲強度。經(jīng)過分析，不加Al2O3夾層的焊后接頭由于殘余應(yīng)力大導(dǎo)致彎曲強度非常低，添加Al2O3夾層能夠獲得結(jié)合良好且韌性高的接頭的原因在于Al2O3夾層能夠有效防止Ni和Ti的擴散及反應(yīng)，降低接頭的殘余應(yīng)力；對C/C復(fù)合材料表面進行激光打孔，使表面呈波浪形能夠增大連接面積，降低殘余應(yīng)力，同時在母材表面的小孔處釬焊形成的針狀物提高了對C/C復(fù)合材料的連接強度。
目前國內(nèi)外進行了大量C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金的釬焊研究。C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金釬焊的主要問題有：①鎳對C/C復(fù)合材料的潤濕性差；②鎳基釬料與C/C復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)差異較大，易引發(fā)連接界面處的裂紋。
針對上述問題，目前通常采用的主要措施為對母材進行表面改性，進行SiC表面改性等方式可以促進釬料與母材的潤濕，同時可以緩解C/C復(fù)合材料與高溫合金因熱膨脹差異較大產(chǎn)生的熱應(yīng)力。另外通過優(yōu)化釬料添加成分或使用過渡層的方式能夠有效緩解焊接殘余應(yīng)力。更多碳碳復(fù)合材料信息可查看http://www.yingyu.ac.cn
