SiO2f/SiO2复合材料润湿性及其与TC4钛合金钎焊机理研究

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二氧化硅纤维增强二氧化硅(SiO2f/SiO2)复合材料是一种先进的纤维编织增强陶瓷基复合材料,具有良好的物理性能,特别是其还拥有良好的透波性能,因此在航天领域具有极大应用潜力,在实际应用中常需要选择TC4作为连接环将其与SiO2f/SiO2复合材料连接在一起。然而SiO2f/SiO2复合材料与TC4的钎焊连接中存在复合材料表面难润湿、Ti原子的过度溶解以及焊后残余应力大等难题,限制了SiO2f/SiO2复合材料的应用。基于此,本课题采用等离子体表面改性、石墨烯表面涂覆以及泡沫状中间层辅助钎焊的方法解决了上述难题,实现了对SiO2f/SiO2复合材料与TC4的高质量连接。研究表明SiO2纤维对Ag-Cu-Ti钎料润湿良好而熔石英对Ag-Cu-Ti钎料不润湿,揭示了SiO2f/Si O2复合材料表面难润湿的机理:熔石英对活性钎料不润湿导致SiO2f/SiO2复合材料表面对活性钎料不润湿。基于此,开发了等离子体表面改性和石墨烯表面涂覆两种新方法,来改善SiO2f/Si O2复合材料表面润湿性。(1)采用等离子体表面改性,使SiO2f/SiO2复合材料表面的Si-O键转变成Si-C键,材料外表层由难润湿的熔石英变成了易润湿的SiC与非晶碳,使Ag-Cu-Ti钎料在SiO2f/SiO2复合材料表面的润湿角从131°下降到27°。(2)表面涂覆活性高的氧化还原石墨烯,通过Ag-Cu-Ti钎料在石墨烯表面的良好润湿进而显著改善其对SiO2f/SiO2复合材料表面的润湿性,使润湿角从131°下降到42.8°,且该方法简单易行。采用等离子体表面改性后,在900℃/10 min的工艺条件下,对SiO2f/SiO2复合材料与TC4进行钎焊试验,通过SEM、EDS、吉布斯自由能计算以及XRD图谱分析,得到接头典型界面组织为SiO2f/Si O2复合材料/TiSi2/Cu3Ti3O/Ag(s,s)+Cu(s,s)/TiCu2/TiCu/Ti2Cu/αTi+βTi/TC4。为解决Ti原子过度溶解扩散形成连续脆性化合物的问题,采用泡沫Cu作为中间层辅助钎焊并揭示了其增强接头性能的机理:泡沫Cu不仅可以消耗向SiO2f/SiO2复合材料侧扩散的Ti,抑制在SiO2f/SiO2复合材料侧形成连续的脆性化合物,还可以和钎料中的Ti反应在焊缝处形成细粒状弥散分布的钛铜化合物,形成良好的应力过渡,增强接头的力学性能,接头抗剪强度可达59.6 MPa。采用石墨烯表面涂覆后,在850℃/5min的最佳工艺条件下,对SiO2f/SiO2复合材料与TC4进行钎焊试验,通过SEM、EDS以及XRD图谱分析,得到接头典型界面组织为SiO2f/Si O2复合材料/TiSi2+TiO2/Cu3Ti3O/TiCu+Ag(s,s)+Cu(s,s)/Ag-Cu共晶组织/Cu(s,s)/Ti2Cu/Ti(s,s)/TC4。通过强度测试与断口分析揭示了石墨烯表面涂覆增强钎焊接头的机理:采用石墨烯表面涂覆,由于其活性高,可显著改善SiO2f/SiO2复合材料表面润湿性,同时也可消耗TC4向焊缝中过度溶解扩散的Ti原子,抑制连续脆性化合物的形成,从而通过表面涂覆单步工艺,大幅提升钎焊接头强度至39.2MPa,约为未进行表面涂覆rGO时的8.7倍。并且rGO表面涂覆工艺简单,易涂覆,成本低,是一种很有潜力的复合材料表面处理方法。
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