【摘 要】
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本文针对Cf/SiC复合材料和304不锈钢连接中的热应力和接头耐高温问题,基于CuTi15+C+Ni→TiC+（Cu,Ni）ss反应,提出并研究了一种兼具反应-复合钎焊和部分瞬时液相扩散连接（PTLP）机制的连接方法——反应-复合扩散钎焊;针对连接材料中活性元素Ti与不锈钢反应生成高脆性的TiFe化合物,在残余应力作用下,导致不锈钢侧连接界面出现裂纹的问题,钎焊前对304不锈钢表面进行预镀镍处理,
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本文针对Cf/SiC复合材料和304不锈钢连接中的热应力和接头耐高温问题,基于CuTi15+C+Ni→TiC+（Cu,Ni）ss反应,提出并研究了一种兼具反应-复合钎焊和部分瞬时液相扩散连接（PTLP）机制的连接方法——反应-复合扩散钎焊;针对连接材料中活性元素Ti与不锈钢反应生成高脆性的TiFe化合物,在残余应力作用下,导致不锈钢侧连接界面出现裂纹的问题,钎焊前对304不锈钢表面进行预镀镍处理,然后采用CuTi15合金粉末、C粉和Ni粉的混合粉末作为连接材料对Cf/SiC复合材料和不锈钢（镀镍）进行反应-复合扩散钎焊连接。分析了接头组织结构及工艺控制因素（镀镍层厚度、材料参数和工艺参数）对组织结构的影响。研究结果表明,接头的典型组织结构为“Cf/SiC复合材料/TiC+Ti5Si3+Ti3SiC2+Ni16Ti6Si7（Cf/SiC 复合材料侧界面）/（Cu,Ni）ss+TiC+C+Ti（NixCu1-x）2（连接层）/Ti（NixCu1-x）2+TiNi3+（Cu,Ni）ss+（Ni）ss+（Fe,Ni）ss（不锈钢侧界面）/304不锈钢”。连接过程中,镀镍层有效阻止了脆性TiFe化合物的生成,消除了不锈钢侧连接界面裂纹,同时镀层镍向连接层扩散Ni元素,还有利于增加连接层的耐热温度;C粉与液态CuTi15中Ti元素反应,并在C颗粒周围形成TiC增强相（反应-复合钎焊）;Ni粉向连接层中扩散Ni元素（PTLP）,并与连接层基体反应生成Ti（NixCu1-x）2相。随连接温度的升高和保温时间的延长,Ti元素逐渐被C消耗,Ti（NixCu1-x）2相根据反应式Ti（NixCu1-x）2+C→（Cu,Ni）ss+TiC逐渐发生分解,但过强的工艺参数会导致Cf/SiC复合材料侧反应层过厚,不利于接头力学性能。研究了 Cf/SiC复合材料侧界面反应行为和连接层的等温凝固动力学,揭示了接头形成机理。研究结果表明,Cf/SiC复合材料侧反应层的生长符合扩散控制的抛物线规律,连接材料中C粉和Ni粉的添加会减弱液相的流动性,从而降低反应层的生长速率常数;连接温度的升高不仅会提高反应层生长速率常数,还会增加升温和降温过程中反应层生长的厚度,从而促进界面反应层的生长。由于C粉与Ti元素的反应以及Ni粉与连接层基体的等温扩散使得连接层在较短时间内发生了等温凝固,其中,C粉与Ti元素的反应行为是连接层实现等温凝固的主控因素。评价了接头力学性能和耐热性能,分析了连接参数对接头性能的影响,确定了最佳连接参数。研究结果表明,C粉添加量的增加可以同时提高接头的力学性能和耐热性能,但Ni粉添加量的增加仅可以提高接头的耐热性能。连接温度的升高和保温时间的延长有利于接头耐热性能的提高,但只有在合适的工艺参数下才能获得高强度的接头。接头最佳连接参数为C/Ti=2/3、Ni/Cu=3/27、T=990℃和t=90min,该连接条件下,接头力学性能和耐热性能得到兼容调控,相应的接头常温剪切强度为197.6MPa,连接层起始液化温度为1057℃,明显高于连接温度和CuTi15合金的熔点,实现了“低温连接/高温服役”。建立了颗粒随机分布复合连接层有限元模型,模拟分析了 TiC颗粒增强连接层的应力分布特点及连接参数对接头热应力的影响。模拟结果表明,Cf/SiC复合材料与不锈钢接头中的Mises等效应力、横向（S11）和纵向（S22）正应力呈对称分布在连接层及连接层附近的母材中。连接层中增强相的引入会改变接头中的热应力大小以及连接层中的应力分布,但不会改变母材中应力分布特点。颗粒增强相通过以下机制减弱热应力对接头力学性能的损害:①降低Cf/SiC复合材料/连接层界面附近的拉应力峰值,增加Cf/SiC复合材料内部压应力值;②使Cf/SiC复合材料/连接层界面上的连续S11拉应力转变为拉应力与压应力交替分布;③向连接层中引入了大量的压应力,不仅减少了连接层中拉应力的占比,还使区域连续分布的拉应力离散分布。
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