浅谈碳碳复合材料和高温合金的焊接

    高温合金抗氧化性能好，抗热腐蚀性能优异，工作温度高，组织稳定且有害相少，能在较高温度与应力的环境下工作，它广泛地应用于制造航空发动机、各类燃气轮机的最热端部件，如涡轮部分的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等部件。C/C复合材料在室温时强度较低且制备周期长、成本高，而C/C复合材料与镍基高温合金连接后质量轻、承载能力高、高温寿命长。镍基钎料是C/C复合材料与镍基高温合金钎焊的最常用钎料。

    吴永智等人使用BNi68CrWB钎料钎焊C/C复合材料和GH600高温合金。钎焊温度为1 150 ～1 200 ℃，保温10 min。试验表明，Ni不与C形成化合物，该钎焊温度也达不到Si与C的反应温度。接头处主要是Ni与Si，Cr与C发生反应形成化合物促进钎料与母材的润湿。焊后接头室温剪切强度为50 MPa，在700 ℃下的剪切强度为22 MPa。接头断裂破坏的主要因素为各部分材料热膨胀系数差距较大导致的受热位错。在钎焊过程中，B由于无法向C/C复合材料扩散，反而与W在钎料母材界面处形成大块不均匀的WB化合物也是导致断裂的原因。接头的高温剪切强度受C/C复合材料氧化的影响而下降。

    C/C复合材料与高温合金不互溶，热膨胀系数差异大，因此直接将C/C复合材料与高温合金连接在一起效果并不理想。对C/C复合材料进行表面处理或者在钎料中添加一些促进润湿的物质能够改善钎焊接头的强度。

     郭领军等人 使用Ni-Ti粉末作为连接材料真空扩散连接C/C复合材料和GH3128高温合金，一组C/C复合材料表面不作处理，一组C/C复合材料表面涂敷SiC涂层。扩散焊加热温度为1 050～1 250 ℃，加压8～20 MPa，保温60 min。结果发现未涂敷SiC涂层时，所获得的接头抗剪强度几乎为0；而涂敷SiC涂层时，在不同的加热温度下，接头的剪切强度差距较大，在加热温度为1 170 ℃时可以获得剪切强度为23 MPa的接头，而在1 130～1 150 ℃时，接头有明显的裂纹缺陷，因此剪切强度较低。经过分析，SiC涂层一方面能够增强Ti,Ni等元素对C/C复合材料的润湿性，另一方面可缓解因C/C复合材料与GH3128高温合金热膨胀系数不同产生的热应力。

    田晓羽等人通过添加TiH2的BNi2粉状钎料钎焊C/C复合材料和GH99镍基高温合金，钎焊温度为1 170 ℃，保温时间为1 h，分别采用含TiH2量为1%,3%,8%的钎料进行钎焊，结果发现钎料中含TiH2量为3%时获得的接头性能最好。原因在于TiH2中的Ti能够促进C/C复合材料向钎缝中的扩散，产生弥散的MC颗粒，降低C/C复合材料基体与钎缝的不匹配程度，缓

    解残余应力；但钎料中TiH2含量过多时，钎缝中会产生大量的片状TiC，降低接头的塑性变形能力。采用含3% TiH2的BNi2钎料进行钎焊时获得的接头抗剪强度在室温为40 MPa，在800 ℃可达19 MPa，明显高于仅用BNi2钎料进行钎焊获得的接头。

     张鑫等人使用BNi5钎料真空钎焊C/C复合材料与镍基高温合金GH3044，钎料呈粉状，钎焊温度为1 180 ℃，保温30 min。进行两组试验，其中一组C/C复合材料表面SiC改性，另一组复合材料表面不作处理。结果表明，使用BNi5钎料可以成功焊接经过表面SiC改性的C/C复合材料与镍基高温合金GH3044，而焊接未经表面改性的C/C复合材料时在C/C复合材料与钎料界面会产生裂纹。经过分析，一方面SiC涂层有效的减缓了C/C复合材料与镍基高温合金因为热膨胀系数相差较大产生的热应力；另一方面，钎料与表面改性的C/C复合材料反应形成的中间层具有一定的韧塑性致使断裂发生在C/C复合材料一侧。获得的接头常温下剪切强度达到35.08 MPa，接头界面为C/C/Ni(s.s)+Cr7C3+Ni3Si/Ni(s.s)+Cr3C2+Ni3Si/Ni(s.s)+Cr3C2+MC+Ni3Si/Ni3Si+MC+Ni(s.s)/GH3044,s.s表示固溶体。

     沈元勋等人通过Ag-Cu钎料钎焊C/C复合材料和镍基高温合金，镍基高温合金的成分为Ni-20Cr-8W-7.5Mo-2Fe-0.6Al-0.5Ti (质量分数，%)。Al2O3夹层的厚度为2 mm，钎料为箔状Ag-28Cu，厚度为250 μm。进行三组试验，第一组不使用Al2O3夹层直接钎焊；第二组在两层钎料中夹持Al2O3层；第三组不仅在两层钎料中夹持Al2O3层而且对C/C复合材料表面进行激光打孔处理。钎焊温度为910 ℃，保温10 min。焊后第一组接头弯曲强度只有16 MPa，第二组接头弯曲强度为33 MPa，第三组接头弯曲强度为73 MPa，这说明添加Al2O3夹层，对C/C复合材料表面进行打孔处理均能提高钎焊接头的弯曲强度。经过分析，不加Al2O3夹层的焊后接头由于残余应力大导致弯曲强度非常低，添加Al2O3夹层能够获得结合良好且韧性高的接头的原因在于Al2O3夹层能够有效防止Ni和Ti的扩散及反应，降低接头的残余应力；对C/C复合材料表面进行激光打孔，使表面呈波浪形能够增大连接面积，降低残余应力，同时在母材表面的小孔处钎焊形成的针状物提高了对C/C复合材料的连接强度。

     目前国内外进行了大量C/C复合材料与镍基高温合金的钎焊研究。C/C复合材料与镍基高温合金钎焊的主要问题有：①镍对C/C复合材料的润湿性差；②镍基钎料与C/C复合材料热膨胀系数差异较大，易引发连接界面处的裂纹。

      针对上述问题，目前通常采用的主要措施为对母材进行表面改性，进行SiC表面改性等方式可以促进钎料与母材的润湿，同时可以缓解C/C复合材料与高温合金因热膨胀差异较大产生的热应力。另外通过优化钎料添加成分或使用过渡层的方式能够有效缓解焊接残余应力。更多碳碳复合材料信息可查看http://www.jasencc.com