[发明专利]激光引燃自蔓延连接Cf/Al复合材料与TiAl的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法。

背景技术

C_f/Al复合材料（碳纤维增强铝基复合材料）是一种金属基复合材料，由连续的碳纤维和铝基体组成，是一种具有广阔应用前景的新型结构材料。C_f/Al复合材料具备了碳纤维质轻的优点，密度较铝合金更低，但弹性模量和拉伸强度却为普通铝合金的2～4倍，因此具有较高的比刚度、比强度。同时由于连续碳纤维的增强作用，C_f/Al复合材料具有较高的轴向拉伸强度和耐磨性，低的热膨胀系数，良好的导电导热和抗疲劳性能，尤其能在潮湿和辐射环境下保持良好的尺寸稳定性。除此之外，C_f/Al复合材料还具有一定的高温使用性能，在400℃时仍能达到接近室温的性能。用C_f/Al复合材料制成的构件质轻、高强、尺寸稳定、能在一定温度下服役，是较高的航空航天材料。目前已成功用于制成航天飞机的机身框架和哈勃望远镜的长方形天线支架等。同时，日本采用C_f/Al复合材料制成新干线电动车制动盘，质量仅为29kg，为高速列车轻量化作出了贡献。随着C_f/Al复合材料的应用范围扩大，必然会涉及到与其它材料间的连接问题。

C_f/Al复合材料中碳纤维和铝基体间发生界面反应4Al+3C=Al₄C₃，属于反应型界面，其焊接难点在于界面反应导致的温度选择。根据热力学计算，C和Al在常温下的吉布斯自由能即为负值，因此处于热力学不稳定状态。在常温下，Al和C就能发生反应生成Al₄C₃，但由于温度较低，反应非常缓慢，很难观察到。随着温度的升高，Al与C间的反应速率逐渐增大，反应越来越剧烈，生成的Al₄C₃的量也逐渐增多。Al₄C₃是一种脆性相，在碳纤维和铝基体间生成少量的Al₄C₃起到连接增强体和基体的，可以促进碳纤维对基体的增强作用。但过量的脆性Al₄C₃的产生对复合材料本身不利，会严重降低材料自身的性能。根据相关研究表明，Al与C发生明显作用的温度临界值约为500℃，因此，焊接此类材料时需要注意焊接温度的选择。常用的熔焊方法由于熔池温度高，加热时间长等原因会导致严重的界面反应，焊缝中生成脆性化合物；钎焊虽能形成连接接头，但受限于加热温度的范围，低熔点钎料使得接头脆性较大；扩散焊较大的压力和摩擦焊的物理作用又会破坏碳纤维和基体的连接；通常的自蔓延连接采用整体加热方法，由于中间层引燃温度较高而不得不提高加热温度，破坏复合材料性能，而且中间层反应不完全，导致接头性能不稳定。因此，C_f/Al复合材料的连接是一个比较棘手的问题。

发明内容

本发明是要解决常规焊接方法由于加热温度过高、压力过大等问题导致C_f/Al复合材料中碳纤维和铝基体间发生严重界面反应、界面结合受到破坏、恶化母材性能的问题，而提供激光引燃自蔓延连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法。

本发明激光引燃自蔓延连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，按以下步骤进行：

一、混合粉末的制备：按重量份数称取61～65份镍粉、31～33份铝粉和3～7份钛粉混合均匀，然后置于球磨罐内，按球料质量比为5:1的比例放入磨球，在氩气保护的条件下，以300r/min～500r/min的速度球磨2h～3h，得到混合粉末；

二、中间层压坯的制备：将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60%～80%且厚度为1mm～2mm的中间层压坯，密封保存；

三、C_f/Al复合材料表面预处理和TiAl表面预处理：将C_f/Al复合材料表面和TiAl表面分别用200^#、400^#、600^#和800^#的砂纸逐级打磨，得到打磨后的C_f/Al复合材料和打磨后的TiAl，然后将打磨后的C_f/Al复合材料和打磨后的TiAl放入丙酮中超声清洗5min～10min，取出后用电吹风吹干，得到预处理后的C_f/Al复合材料和预处理后的TiAl；