[发明专利]以Fe为活性元素快速润湿陶瓷基复合材料中碳纤维的方法

说明书

本发明公开了一种以Fe为活性元素快速润湿陶瓷基复合材料中碳纤维的方法，即以Fe基或含有足量Fe的合金型钎料作为高温活性钎料，通过活性元素Fe与碳纤维发生共晶反应的方式实现对碳纤维的快速、致密润湿。其优点在于：利用共晶反应实现快速润湿碳纤维，以及近缝区复合材料母材内原有孔隙与钎缝的致密化，避免界面反应形成连续的界面反应相；使钎缝中的溶解进来的碳充分石墨化，可降低热应力；钎焊温度达1154℃以上，可使钎焊接头的服役温度提高；无需长时间保温，无需焊前对复合材料表面进行改性处理；不含或含少量贵金属。本发明解决了传统Ag基活性钎料、Ni基钎料在用于钎焊陶瓷基复合材料时分别存在的接头耐热温度低、保温时间长的问题。

技术领域

本发明涉及面向C_f/C(即C/C)及C_f/SiC(即C/SiC)等碳纤维强化的陶瓷基复合材料的活性钎料设计及钎焊方法。

背景技术

利用连续纤维增韧的碳纤维增强的陶瓷基复合材料(如C_f/C、C_f/SiC)与金属材料相比，具有两项优点：(1)高温强度高(C_f/C在氧化性气氛下450℃以上就开始氧化，参考文献[1])；(2)密度轻(仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2，参考文献[2、3])；故作为高温结构材料有广泛的用途。其中，C_f/C复合材料目前主要用于飞机刹车系统、航天器的防热与耐烧蚀结构材料。

碳纤维增强的陶瓷基复合材料的焊接方法主要采用钎焊(参考文献[4、5])。与普通陶瓷材料类似，其可钎焊性差的原因有两方面：一是常用金属钎料对其润湿性差；二是与金属钎料的热膨胀系数差距较大，在接头冷却中会产生较大的热应力。此外，C_f/C复合材料作为高温结构材料使用时，对钎焊接头的耐热性也要求较高。为解决润湿性问题，绝大多数报道都用Ti作为活性元素，采用含Ti的Ag基钎料、含Ti的Cu基钎料或Ti基钎料，或者焊前对C_f/C复合材料表面进行改性预处理来改进润湿性。

1997年，意大利的Milena Salvo(参考文献[6])报道采用Si片(silicon sheet)、Al 箔、Ti粉三种活性中间层对(C_f/C)/(C_f/C)同种母材组合进行焊接：对于Si片中间层，在1420℃×90min与流动Ar保护的条件下(已超过Si的熔点1414℃)，通过反应生成20μm 厚SiC，获得剪切强度为22MPa的接头，已接近C_f/C的层间剪切强度(interlaminar shearstrength)20～25MPa；但组织观察发现，中间层中心未反应完的Si层仍很明显(厚达～120μm)，且中间层在冷却过程中形成垂直裂纹(贯穿SiC反应层与残留的Si片部分)。对于Al箔中间层，在1000℃×45min与流动Ar保护条件下，在Al与C_f/C复合材料的界面反应生成15μm厚的Al₄C₃反应层，获得剪切强度为10MPa的接头，接头失效发生在 (C_f/C)/Al₄C₃界面。对于Ti粉中间层，在1420℃×45min的条件下(固相焊)，仅有个别部位Ti粘附在C_f/C复合材料母材上。可见，(C_f/C)/(C_f/C)同种母材的固相焊较为困难，即使是采用“活性中间层(Si、Al、Ti均为可与SiC反应的活性中间层)”，因受反应程度、反应产物、原始接触程度的限制，也难以实现高强度、大面积焊合。