cc复合材料与nb钎焊工艺及机理研究

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1、ClassifiedIndex:TG453U.D.C:621.791DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTECHNOLOGYANDMECHANISMOFBRAZINGC/CCOMPOSITETONIOBIUMCandidate：XuLigangSupervisor：Prof.FengJicaiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MaterialsEngineeringAffiliation：SchoolofMate

2、rialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要C/C复合材料具有密度小、质量轻，且高温性能优异的特点，实现其和Nb的可靠连接并应用飞行器发动机喷管等结构件具有无与伦比的优越性。低密度3C/C(1.5g/cm)可应用于具有较大推重比要求的航天发动机喷管，而高密度3C/C(2.0g/cm)可以满足航天发动机在大功率长时间的苛刻工作条件下的性能要求，具有广泛

3、的应用价值。本文使用TiNi钎料对低密度C/C和Nb进行了连接，优化了连接工艺，获得了可靠的连接强度。针对高密度C/C与Nb焊后C/C近焊缝区出现碎裂区域、强度低等问题设计了3-D界面结构增强了接头的力学性能。采用Ti50:Ni50复合钎料箔对低密度C/C和Nb进行了钎焊连接，接头的界面结构从复合材料侧至Nb侧可表示为：C/C复合材料/TiC+(Ti,Nb)C反应层/(Ti,Nb)2Ni层/(Ti,Nb)2Ni颗粒+TiNi-(Nb,Ti)共晶/Nb。钎缝的力学性能受到钎缝组织的变化以及C/C侧界面反应层厚度的影响。当钎焊温度T=1200℃，t=2

4、0min时，接头的抗剪强度最高达到44MPa，此时接头在600℃时的高温力学性能为36MPa，达到母材强度的90%。接头的断裂失效主要发生在TiC和(Ti,Nb)C界面反应层和C/C复合材料近界面处。由于渗入钎料的作用，断口呈现出凹凸不平的形貌。高密度C/C与Nb焊后接头在C/C近焊缝区出现碎裂，且接头强度较低仅为17MPa。为实现其可靠连接，设计了3-D界面结构处理工艺，即采用钻孔、激光烧蚀孔洞、针扎以及激光烧蚀孔洞和针扎的复合方法对高密度C/C待焊表面3-D界面处理后进行钎焊连接。试验发现C/C与钎料3-D界面结构可以显著提高接头的力学性能。激

5、光烧蚀孔洞方法焊后3-D界面孔洞前端在激光束的烧蚀下较为疏松，钎料的渗入形成了良好的结合。而针扎时孔壁上存在着裸露C纤维，钎料渗入形成的“钉扎”效应也可以得到较好的结合界面。复合3-D界面结构制备方法综合了上述两者的优点，接头的抗剪强度达到了92MPa，为平直界面的440%，接头断裂发生在C/C母材近3-D界面处。接头在600℃时的高温抗剪强度可以达到68MPa，接头断裂模式为沿着C/C母材近3-D界面处开裂和孔洞中钎料被剪断的混合模式。探讨了3-D界面结构对接头力学性能的增强机理。采用理论计算的方法对3-D界面结构过渡区域的接头残余应力和平直界面

6、进行了对比发现，采用复合方式对待焊表面进行3-D界面处理后，焊后接头过渡区域的残余应力相比于平直界面的残余应力值降低了20%。3-D界面过渡区域的作用为实现了接头中热膨胀系数和弹性模量的梯度过渡，因此接头的力学性能得到了显著的提高。关键词：C/C复合材料；钎焊；界面反应；渗入；3-D界面结构I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractDuetotheirlowdensity,highratioofstrength/weightandsuperiorhigh-temperatureperformance,carbon/carboncomposit

7、es(C/C)arewidelyusedinaerospacefields.Low3densityC/C(1.5g/cm)canreducetheweightofrocketenginenozzlewhilehighdensity3C/C(2.0g/cm)canexpandtheapplicationrangeofthecomponent.ThecombinationofC/CandNbispromisingformechanicalstructuresservingatdemandingenvironment.ThelowdensityC/Cwa

8、ssuccessfullybrazedtoNbwithTi-Nifillermetal.Inordertoimprovet