[发明专利]碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种异种材料的连接方法，具体为碳/碳复合材料与镍基高温合金的连接方法。

背景技术

碳/碳复合材料是一种战略性的高温结构材料，具有低密度、高比强度、低膨胀系数、良好的高温性能、抗烧蚀、耐腐蚀等有优异性能，在航空、航天、汽车及核能等领域有广阔应用。但是，由于碳/碳复合材料自身的脆性、难以加工成复杂部件且生产成本高，限制了其应用。因此，有必要将碳/碳复合材料与金属进行连接，以同时发挥两者的性能优势，从而节约材料、降低成本。镍基高温合金被称为发动机的心脏，广泛应用于航空、航天工业。镍基高温合金的工作温度为900℃左右，目前在航空、航天工业中主要应用于涡轮发动机的高温部件，如燃烧室的火焰筒、点火器、叶片、壳体及涡轮燃气导管等。

目前，关于碳/碳复合材料与镍基高温合金连接的研究并不多，所用连接方法有钎焊、粘接、扩散焊。碳/碳复合材料与镍基高温合金连接的难度在于：（1）两者的物理化学性质相差大、相容性差、界面结合差，碳/碳复合材料的界面难以润湿；（2）两者在焊接过程中产生的热应力很大，从而削弱了接头的性能。

文献1“C/C复合材料与镍基高温合金连接接头的力学性能和微观结构，郭领军，郭琛，李贺军，李克智。稀有材料与工程，2011，40(1):111-114”提出一种碳/碳复合材料与镍基高温合金连接的热压连接方法，该方法的连接压力大，，其剪切强度最高仅为12.6MPa。

文献2“钨酚醛树脂连接炭/炭复合材料的工艺研究，席琛，李贺军，李克智。炭素技术，2005，24（2）：17-20”提出一种碳/碳复合材料的粘接连接方法，所得接头的强度可达16.1MPa，但其高温性能差、使用温度低且强度分散。

文献3“碳/碳复合材料与镍基高温合金K24的钎焊研究，王林，王开坤，郭伟，朱颖，曲平，康慧，赖庆林。第十六次全国焊接学术会议论文摘要集”提出一种碳/碳复合材料与镍基高温合金的钎焊方法，该方法工艺简单，但对钎料要求较高，且所得接头的强度不高。

部分瞬间液相连接法结合了扩散焊与钎焊的优势，连接温度低、需要的压力很小甚至不需要压力、工艺简单且接头的机械性能较好。本发明所用的部分瞬间液相连接法，以软金属为中间层，在一定温度产生液相润湿母材表面填充毛细间隙，形成致密的连接界面，同时有效缓解热应力，从而提高接头的剪切性能。

发明内容

为解决碳/碳复合材料与镍基高温合金难以连接的技术问题，本发明提出一种碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法。

一种碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用无水乙醇清洗碳/碳复合材料和镍基高温合金的连接面，在80～120℃的烘箱中烘干；

步骤2：将厚度为30μm的Ti箔和Ni箔的表面氧化膜打磨掉并清洗，将厚度为400μm的Cu箔进行酸洗，对所有箔片进行干燥；

步骤3：将箔片按Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔的顺序置于碳/碳复合材料的待连接面上，再将待连接的镍基高温合金放置在镍箔上，形成碳/碳复合材料/Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔/镍基高温合金的夹心结构，然后固定此结构并将其置于真空热压炉中，抽真空使得真空热压炉炉膛中的真空度低于10^-2Pa；

步骤4：以10～15℃/min的升温速度，将真空热压炉炉膛温度由室温升到850℃并保温30min，进行第一次部分瞬间液相连接，实现金属界面间的连接；

步骤5：再以4～8℃/min的升温速度继续升温到890～1030℃，然后保温25～40min进行第二次部分瞬间液相连接，实现碳/碳复合材料与中间层的连接；

步骤6：以2～5℃/min的降温速度程序降温到600℃，然后让真空热压炉自然冷却至室温。

在步骤3置于真空热压炉后抽真空之前，先行预热。

所述预热时间为50min。

在步骤3抽真空使得真空热压炉炉膛中的真空度低于10^-2Pa时保真空60min。

所述步骤4：以10～15℃/min的升温速度，当温度升到800℃时，进行加压5min，所施加压力为4.5MPa，加压完毕后将压力释放为0MPa；将真空热压炉炉膛温度由室温升到850℃并保温30min，进行第一次部分瞬间液相连接，实现金属界面间的连接。