C/SiC复合材料与GH99的钎焊工艺及机理研究

作     者：张若蘅 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张丽霞

授予年度：2015年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：钎焊 C/SiC GH99 界面反应 网状中间层 

摘      要：C/Si C复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震性等突出优点。实现其与GH99的连接可以制成高超声速飞行器翼舵构件,具有重要的现实意义。C/Si C与GH99钎焊时,GH99溶解的Ni与C/Si C剧烈反应,生成大量脆性化合物相。为控制界面反应,减少脆性化合物生成,本文采用Nb做阻隔层,配制Ni Cr Nb与Ti Co两种钎料,研究了工艺参数对接头组织及力学性能的影响,并从热力学角度分析了界面反应过程。为缓解C/Si C与GH99线胀系数差异在接头中产生的残余应力,设计了网状中间层,并通过计算分析了中间层对接头残余应力的缓解机制。C/Si C与GH99直接钎焊时,Ni与Si C基体发生反应形成Ni-Si化合物,同时Ni原子可通过Ni-Si相向Si C中扩散,推动Ni-Si C反应持续进行,生成大量Ni-Si化合物恶化接头性能。为了抑制Ni与C/Si C的过度反应,本文提出在C/Si C与GH99之间添加Nb箔作为阻隔性中间层,阻隔GH99侧Ni向C/Si C处扩散,控制Ni与Si C基体的过度反应。采用Ni Cr Nb/Nb/BNi5为中间层钎焊C/Si C与GH99时,C/Si C/Nb侧接头界面组织为:C/Si C/Ni2Si+Ni Si/Nb C+CrxCy/Nb Cr2(HT)+Ni3Nb/(Nb,Cr,Ni)s.s/Nb。钎焊工艺对接头界面组织及力学性能有重要影响,当钎焊温度为1190℃、保温时间10min时,接头达到最高抗剪强度32MPa。通过热力学计算和Ni-Si-C相图分析阐明了Ni2Si是界面的主要反应产物,Ni2Si的生长是依靠Ni在晶界中的快速扩散推动的,其厚度的平方值与扩散时间大致呈正比关系。针对Ni Cr Nb钎料钎焊时界面反应层过厚,反应产物高温性能不佳的缺点,使用Ti-Co钎料对添加Nb阻隔层的C/Si C与GH99进行钎焊。C/Si C/Nb侧接头典型界面构为:Ti C+Nb C/Ti2Co+(αTi,Nb)/(αTi,Nb),研究了工艺参数对接头界面组织和力学性能的影响,当钎焊温度为1160℃,保温时间为10min时,接头达到最高抗剪强度68MPa。对不同钎料体系中各元素进行活度计算,在Ti-Co体系中Co的活度很低,界面反应主要为Ti与C/Si C的反应,产物以Ti C为主;在Ni-Cr-Nb体系中,Ni的活度达到0.285,是主要的活性元素,界面反应以Ni与Si C的反应为主。设计网状中间层缓解接头残余应力,优化了网状中间层的结构,在不同的孔隙率的网状中间层钎焊接头中,Nb的溶解量有着较大不同,进而影响接头组织及性能,在孔隙率为9%时接头最高强度可达83MPa。用现有模型计算了网状中间层的弹性模量和线膨胀系数,进而计算未添加网状中间层和添加后的接头残余应力,分别为463MPa和327MPa,表明网状中间层的添加起到了缓解残余应力的作用。