电化学腐蚀辅助钎焊C/C与Nb的工艺与强化机制研究

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C/C复合材料选择石墨作为基体,使用高强度,高模量的碳纤维作为增强体,得到的碳纤维增强陶瓷基复合材料具备比重轻,耐摩擦,导热性良好等特性。可以广泛应用于航空航天,民用工业等领域。在实际应用中,常使用延展性较高的Nb作为过渡材料与C/C复合材料进行钎焊连接。然而,两者的属性差异导致接头存在较高的应力集中,严重降低了生产应用中的性能需求。为此,本文选择对陶瓷表面结构改善、复合钎料优化设计(BNi2+W)、HEA中间层钎焊连接来解决接头中存在的问题,实现C/C复合材料与Nb的有效结合。基于C/C复合材料具有导电性且碳纤维与基体存在电阻率差异,采用NaOH溶液对C/C复合材料表面结构进行电化学腐蚀调控,改善后的陶瓷结构增加了与钎料的结合面积,同时两者相互交错形成梯度过渡缓解属性差异。研究发现,在3V/30min的腐蚀参数下,陶瓷的表面的腐蚀效果达到最佳状态。钎料渗入纤维周围缝隙形成相互钉扎结构,此时Cf/AgCuTi交织区深度为80μm,接头强度可提升至37.7 MPa。为了满足接头在高温下的使用需求,同时减少焊缝中过多的脆性化合物,在使用BNi2作为钎料的基础上,选择添加高温力学性能优异的高熵合金(HEA)作为中间层。HEA自身具有较高的塑性,在钎焊过程中阻挡金属Nb元素向陶瓷侧扩散的同时,也可以吸收钎料中的脆性化合物生成元素。陶瓷侧的连续反应层相得到控制,焊缝中的化合物相也多被固溶体所替代。当HEA厚度为200μm时应力会得到充分释放,接头最佳强度在常温时为36.8MPa,800℃高温下为29.3MPa。由于HEA中间层对钎料元素的吸收作用有限,为进一步调节陶瓷与HEA之间属性差异,同时提高该区域高温性能,通过在BNi2中添加熔点高、热膨胀系数低的W颗粒来进行优化。Ni4W的形成有效抑制了焊缝中其它含Ni脆性相的数量,同时W对钎料中Cr元素的固溶结合使得陶瓷侧连续反应层变薄,W、Ni4W在焊缝中的均匀分布在一定程度上也起到弥散强化的作用。当W(200nm)含量为30wt%时,C/C-HEA接头强度最高在常温时为37.8MPa,1000℃高温时为26.4MPa。将上述三种方法在最佳状态下整合到一起进行钎焊连接,得到的优化组合C/C-Nb接头剪切强度在常温时最高可提升至39.5MPa,1000℃时提高到33.6MPa。
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