纤维坚固陶瓷基复合材料与金属钎焊探索转机
司晓庆,李淳,亓钧雷,曹健,冯吉才
哈尔滨产业大学先进焊接与连结国度中心实践室，哈尔滨
提要：纤维坚固陶瓷基复合材料在高温使役本能方面展现出领先保守陶瓷材料的杰出本能，与金属的连组织件在航空航天、核能、化工等高温系统中运用潜力庞大。纤维坚固陶瓷基复合材料与金属的连结技艺被宽广探索，钎焊是实行两者连结的最好取舍。文章中心陈述钎焊纤维坚固陶瓷基复合材料与金属所面对的挑战和科知识题，罗列C/C、C/SiC和SiO2/SiO2三种探索最为宽广的纤维坚固陶瓷基复合材料与金属的钎焊实例，商议钎料潮湿行动、界面反响调控和接洽应力调动的最新探索效果。牢固连结技艺的转机，将会推进纤维坚固陶瓷基复合材料的探索和运用。关键词：复合材料；纤维坚固；钎焊绪论纤维坚固陶瓷基复合材料所以陶瓷为基体，通过与多种纤维复合获取杰出高温使役本能的一类材料，具备陶瓷高比强度的同时，断裂韧性和抗热振本能也获取显著提升。方今，探索最为宽广的纤维坚固陶瓷基复合材料包罗C/C、C/SiC和SiO2/SiO2，这些材料曾经在诸如传热组织、导弹天线罩、火箭带动机喷嘴、大功率内燃机等高温系统中宽广哄骗，特别是在航空航天范围极具运用潜力。纤维坚固陶瓷基复合材料所固有的脆性以及加工窘迫等题目，时时须要与金属连结能力实行工程运用。不过复合材料物化本能波动，与金属本能差别庞大，所以连结难度较大。纤维坚固陶瓷基复合材料的熔点高，连结时不合适采取保守凝结焊的办法，而胶接又不能充足表现其杰出的高温本能，机器连结则简单额外增添构件分量，进而束缚接洽的运用范畴。方今最为罕用的连结纤维坚固陶瓷基复合材料与金属的办法是钎焊。钎焊是通过调控界面反响使金属也许与复合材料产生冶金联结，而且连结历程不会对母材本能产生摧残。1、钎料优选实行钎焊接洽牢固连结的根基是取舍合适的钎料。关于纤维坚固陶瓷基复合材料与金属的钎焊而言，首先须要治理钎料在复合材料表面的潮湿窘迫。与保守陶瓷钎料相仿，所采用的钎猜中需含有Ti、Zr、Cr、V等活性元素，通过与复合材料的化学反响使得液态钎料也许在复合材料表面直接潮湿。
Ag-Cu-Ti钎料被宽广用于纤维坚固陶瓷基复合材料与金属的钎焊连结中。Ag基钎料在罕用金属及其合金(如Ti、Ni、Nb和Fe及其合金)表面潮湿性均优秀，而钎猜中的Ti元素与不同的复合材料反响存在肯定的差别性。对C/C复合材料而言，活性元素Ti与两者反响产生TiC单相悖响层，实行钎料潮湿。Liu等采取Ag-Cu-Ti钎料实行C/C复合材料与TC4钛合金的连结，在C/C侧产生接连的TiC反响层实行冶金联结。Ti元素与C/SiC复合材料反响会产生TiC、Ti-Si和Ti-Si-C三类反响产品，此时，Ag基钎料展现出的潮湿性要优于C/C复合材料。Xiong等哄骗Ag-Cu-Ti钎料连结C/SiC复合材料与TC4合金，在C/SiC界面反响产生TiC+Ti5Si3+Ti3SiC2的复合反响层。与上述两种复合材料不同，Zhang等在探索Ag-Cu-Ti钎料连结SiO2/SiO2复合材料的表面潮湿性时发觉，界面反响产品存在分层景象，首先产生TiO2+Ti5Si3反响层，随后产生Cu-Ti-O反响层，Cu-Ti-O反响层的产生是保证钎料潮湿的关键。Ag基钎料具备优秀的塑性，不过采取Ag基钎料获取的接洽哄骗温度通常不高出℃。高温会致使接洽强度疾速下降，没法充足表现纤维坚固陶瓷基复合材料杰出的高温使役本能，为此须要开垦其余成份的钎料。
Ti基高温钎料也许餍足复合材料/金属接洽高温须要，曾经被宽广探索。Zhang等开垦Ti-Co-Nb高温钎料用于连结C/SiC复合材料与Nb-1Zr合金，接洽机关如图1所示。在C/SiC界面产生接连的(Ti,Nb)C反响层，钎缝中产生TiCo和Nb(s,s)高温共晶机关，及少许的CoNb4Si相，在钎焊工艺为℃/10min时获取最大剪切强度MPa，在℃和℃高温下接洽剪切强度照旧别离高达MPa和MPa。Yang等采取Ti-Ni-B钎料实行C/SiC与TiAl的连结，钎缝华夏位生成的低膨胀TiB晶须显著下降了接洽剩余应力，钎料向C/SiC基体中的适当浸透一样有助于接洽强度，接洽在室温以及℃高温时剪切强度别离为90MPa和65MPa。Wang等采取Ti-Zr-Ni-Cu钎料连结C/SiC与TC4，接洽在室温及℃高温时剪切强度一样别离高达MPa和MPa。
图1Ti-Co-Nb钎料连结C/SiC-(Nb-1Zr)接洽界面机关及元素面散布：(a)接洽机关；(b)C/SiC侧夸大图；(c)Ti；(d)Nb；(e)Co；(f)Si
Ni基钎料也是纤维坚固陶瓷基复合材料与金属钎焊罕用的钎料。吴永智等采取BNi68CrWB钎料连结C/C与GH。钎猜中活性元素Cr与C的反响推进液态钎料在母材表面的潮湿，接洽在室温剪切强度到达50MPa，℃高温剪切强度为22MPa。Li等采取NiPdPtAu-Cr钎料对C/SiC与Mo停止连结，在C/SiC界面产生Cr3C2相推进钎料反响性潮湿。Mo散布投入液态钎料产生MoNiSi和Mo2C相，提升了高温本能，通过10次℃高温轮回后，接洽剪切强度照旧维持71.6MPa。
2、复合材料表面潮湿性调控差别于保守陶瓷，钎料在纤维坚固陶瓷基复合材料表面的潮湿性还会遭到纤维陈列、纤维编织模式、基体相与纤维的性质差别等影响。罕用的Ag基、Ti基、Ni基活性钎料在复合材料表面，均显示出液态钎料潮湿铺展的不平匀性和各向异性。钎焊前须要对复合材料停止表面改性，进一步提升潮湿性，诸如预金属化和表面活化。Ma等哄骗Ag-Cu-Ti钎料连结SiO2/SiO2与Nb时发觉，钎料在非晶态SiO2坚固纤维表面潮湿优秀，而在基体晶态SiO2(熔石英)表面的潮湿性较差，哄骗HF酸将复合材料表面熔石英侵蚀掉，也许改正钎料潮湿本能。
预金属化是将陶瓷与金属界面变化为金属与金属界面，进而改正钎料在陶瓷表面的潮湿性。罕用的预金属化办法包罗Mo-Mn法、蒸镀法、溅射法、熔盐法等。梁赤勇等哄骗熔盐反响在C/SiC复合材料表面制备锆金属化层。Salvo等在C/C复合材料表面涂覆铬浆料，而后停止℃/1h真空热处置后制备铬金属化层，Cu-Ge-Ni钎料在其表面潮湿性优秀。
近些年，基于纤维坚固陶瓷基复合材料表面活化改正钎料潮湿本能的探索成为热门，并获取一系列的探索效果。表面活化是通过引入新的界面反响，加强了钎料在复合材料表面的反响性潮湿。比如，Qi等对SiO2/SiO2复合材料停止表面等离子活化处置，将表面O-Si-O键变化为Si-C键，哄骗Ag-Cu-Ti钎料与SiC的强反响性将潮湿角从°下降至27°。别的，在复合材料表面成长石墨烯、碳纳米管、SiC纳米线等方法也是复合材料表面活化的首要方法。
Sun等通过PECVD方法在SiO2/SiO2表面预制石墨烯，哄骗Ti与石墨烯的激烈反响，将Ag-Cu-Ti钎料在复合材料表面的潮湿角从.8°下降至50.7°，对应SiO2/SiO2-Invar接洽剪切强度提升4倍，到达26MPa。Zhang等在SiO2/SiO2复合材料表面成长碳纳米管。碳纳米管的表面弊端为界面反响供应了活性位点，推进了界面反响，在℃/10min前提下，潮湿角从96.5°下降至30.6°。Jin等通过在C/C复合材料表面电泳堆积SiC纳米线阵列，哄骗Ti与SiC纳米线的强反响性，显著提升了Ag-Cu-Ti钎料在C/C表面的潮湿性。SiC纳米线与Ti元素反响产生分散散布的Ti3SiC2相，防止接连脆性Ti3Cu4反响层在C/C界面处产生，接洽剪切强度提升高出60%。
3、液态钎料浸透效用机制孔隙率较大的纤维坚固陶瓷基复合材料，通常呈现液态钎料渗入多孔母材的景象，钎料浸透对接洽品质的影响遭到宽广的