薛行雁,熊進輝,黃繼華,張 華,趙興科,王志平(北京科技大學材料科學與工程學院,北京100083)

AgAlTi2 C釬焊Cf/SiC復合材料與TC4接頭組織結(jié)構(gòu)

薛行雁,熊進輝,黃繼華,張 華,趙興科,王志平(北京科技大學材料科學與工程學院,北京100083)

研究用Ag粉、A l粉、Ti粉、短炭纖維配制以Ag26A l為主的混合粉末真空釬焊Cf/SiC陶瓷基復合材料和鈦合金,采用X射線衍射、掃描電鏡和能譜儀對接頭組織結(jié)構(gòu)進行分析。結(jié)果表明:在Ag26Al中加入Ti可以提高釬料對復合材料的潤濕性并抑制釬料中A l的氧化,加入短炭纖維可以緩解接頭熱應力。在不同工藝條件下,真空釬焊得到了完整的復合接頭,釬焊過程中生成的鈦鋁化合物在接頭中細小均勻分布,在短炭纖維周圍原位合成了TiC。當在Ag26Al中加入一定質(zhì)量分數(shù)的Ti和短炭纖維,在910℃保溫10min的最佳工藝條件下得到的接頭最高剪切強度達到90.8M Pa。

Cf/SiC;TC4;釬焊;短炭纖維

炭纖維增強SiC陶瓷基復合材料(Cf/SiC)具有優(yōu)異的高溫強度、良好的耐腐蝕、抗氧化、抗熱震及耐磨性能,目前已經(jīng)成為航空航天發(fā)動機制造首選的陶瓷基復合材料。新型大推力航空航天發(fā)動機的研制,迫切需要將輕質(zhì)耐高溫的炭纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料與易加工成型的金屬連接起來。因此,研究Cf/ SiC陶瓷基復合材料與金屬材料特別是鈦合金的連接尤其具有重要的意義[1]。

目前,Cf/SiC陶瓷基復合材料與金屬的連接研究已成為前沿熱點,但是能夠很好地將兩者連接并具有一定的強度的報道較少。Cf/SiC陶瓷基復合材料與鈦合金連接的主要問題在于兩者冶金相容性差,無法進行直接熔化焊接,而且Cf/SiC復合材料與鈦合金冶金之間膨脹系數(shù)差異較大,接頭往往形成較大熱應力,容易開裂。擴散焊、釬焊等是連接陶瓷與金屬比較常用的方法,釬焊對母材的表面狀況要求較低,可在無壓力或小壓力的條件下完成連接,更適合于Cf/SiC陶瓷基復合材料的連接。國外學者A sthana等用Cusil2 ABA和TiCuSil釬料實現(xiàn)了Cf/SiC與金屬的連接[2]。國內(nèi)學者[3-6]在Ag2Cu2Ti釬料中引入一種低膨脹系數(shù)的增強相如SiC和W,連接SiC陶瓷、Cf/SiC陶瓷基復合材料和鈦合金。釬焊形成的接頭具有介于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數(shù),可以有效地緩解接頭的殘余熱應力,提高接頭的室溫和高溫強度。Ag2Cu2Ti釬料是一種潤濕性較好的釬料,但釬焊的連接層中會形成大塊的金屬間化合物,不利于接頭的性能。

為了獲得塑性較好而且沒有大塊金屬間化合物形成的連接接頭,本研究采用AgA lTi和AgA lTi2C釬料連接了Cf/SiC陶瓷基復合材料與鈦合金,利用XRD,EDS,SEM等分析手段,對接頭組織結(jié)構(gòu)進行分析研究,并初步測試了接頭的剪切強度。

1 實驗

1.1 原料及制備

被連接母材為3D2Cf/SiC(“3D2Cf”代表“三維炭纖維強化”)陶瓷基復合材料與TC4鈦合金。Cf/SiC陶瓷基復合材料密度為2.0～2.1g/cm3,孔隙率為10%～15%,纖維束為3K,纖維體積分數(shù)為45%～50%,室溫抗彎強度約400M Pa,試樣尺寸為5mm× 5mm×5mm。TC4鈦合金化學成分為Ti26A l24V,試樣切割成<15mm×3mm的圓柱體。將復合材料、鈦合金試樣的待連接面分別用粒度為240和60的SiC砂紙研磨,用丙酮清洗干凈后,放入溫度約為50℃的干燥箱中烘干備用。復合釬料原料如下:A g粉粒度-250目、A l粉粒度-200目、Ti粉粒度-400目、炭纖維粒度-150目,純度為97%。粉末均按質(zhì)量分數(shù)稱取,先配制成Ag26Al的粉,再在此基礎上添加質(zhì)量分數(shù)為0%～10%的鈦粉,固定的質(zhì)量分數(shù)為2%的炭纖維。最終的復合釬料粉用球磨罐混合均勻(混合約1～2h),將復合釬料分成兩部分作對比實驗,一部分在10MPa的壓力下壓成約0.5mm厚的薄坯,一部分用酒精混成糊狀物。將薄坯或糊狀物置于Cf/SiC復合材料和鈦合金之間并施加8×10-3MPa壓力。實驗條件下的真空度高于6×10-3Pa,溫度為900～950℃,保溫時間為10～30min,升溫速率11℃/min,降溫速率5℃/min。

1.2 分析測試

利用LEO21450掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀對連接層、反應界面進行了組織觀察和成分及物相分析。在M TS810試驗機上進行剪切實驗,壓頭速度0.01mm/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 用(Ag26Al)+Ti薄坯釬料釬焊后接頭組織

圖1是采用(Ag26A l)+2%(質(zhì)量分數(shù),下同)Ti釬料在950℃保溫10m in釬焊接頭組織,圖2為中間層XRD圖譜。在低倍和高倍電鏡照片下Cf/SiC復合材料與連接層結(jié)合得很緊密,結(jié)合界面沒有裂紋和空洞,Cf/SiC復合材料中的炭纖維也沒有斷裂。在Cf/ SiC復合材料一側(cè)明顯地有一層反應層,如圖1(b)。反應層進行EDS分析(反應層元素A l,Si,Ti,Ag原子分數(shù)為5.34∶16.08∶70.58∶7.99)表明釬料中的Ti與復合材料中的SiC基體發(fā)生了反應,由反應層中原子比例推斷反應可能生成了Ti2Si和Ti2Si2C相,如Ti5Si3,Ti3SiC2相。

圖1 (Ag26Al)+2%Ti釬焊后接頭背散射照片 (a)接頭微觀組織;(b)Cf/SiC復合材料與中間層界面;(c)中間層Fig.1 Backscattered electron micrographs of joints brazed by(Ag26A l)+2%Ti (a)micrograph of the joint;(b)interface between composite and interlayer;(c)interlayer

圖1(c)是中間層照片,中間層主要由白色相和深灰色相組成,灰色相彌散均勻地分布在白色相中。根據(jù)XRD和EDS分析結(jié)果,白色相主要成分為Ag,含有少量Ti,深灰色相有不定形狀和短條狀兩種,不定形狀的主要為TiA l,短條狀的主要為Ti3A l。這些相是在釬焊過程中Ag,A l和Ti發(fā)生一系列復雜的反應而得到的[7]。

2.2 用(Ag26Al)+Ti+C薄坯釬料釬焊后接頭組織

圖3是(Ag26A l)+8%Ti+2%C在930℃下釬焊

圖2 (Ag26Al)+2%Ti釬焊后中間層X射線衍射譜Fig.2 XRD pattern of interlayer brazed by(Ag26Al)+2%Ti

圖3 (Ag26Al)+8%Ti+2%C釬焊后接頭背散射照片(a)接頭微觀照片;(b)Cf/SiC復合材料與中間層界面;(c)TC4與中間層界面Fig.3 SEM of joints brazed by(Ag26Al)+8%Ti+2%C (a)micrograph of the joint;(b)interface between composite and interlayer;(c)interface between TC4 and interlayer

圖4 (Ag26A l)+8%Ti+2%C釬焊后中間層X射線衍射譜Fig.4 XRD pattern of interlayer brazed by(Ag26A l)+8%Ti+2%C

后的接頭組織,圖4為中間層XRD圖譜。在中間層與復合材料之間的界面處有很明顯的反應層,反應層與復合材料結(jié)合緊密。釬焊過程中液態(tài)釬料能滲入復合材料的空隙中,釬料中的Ti與復合材料中的SiC反應也可造成復合材料中炭纖維的裸露,并植入連接層中形成鋸齒狀咬合。這樣增加了連接層與復合材料的結(jié)合面積,提高了界面結(jié)合強度。其中的深黑色圓點和深黑色短條是短炭纖維,且很均勻地分布在連接層中,在每一個短炭纖維周圍都會成輻射狀地分布絮狀灰色相,在距離短炭纖維較遠的地方也存在沒有確定形狀的灰色相。圖3(a)中靠鈦合金一側(cè)隱隱約約一條細白線是Ag,這是由于鈦合金向中間層擴散導致的。圖3(c)是在950℃釬焊后中間層與鈦合金的界面,鈦合金向釬料連接層中擴散,與連接層形成牢固的界面擴散結(jié)合,進行EDS分析發(fā)現(xiàn)連接層中Ti含量遠遠超過釬料中最初的添加量,說明有大量的Ti從鈦合金一側(cè)向連接層中擴散。

圖5是在垂直于反應層方向Ti元素的分布,圖6是在橫穿炭纖維方向Ti元素的分布。結(jié)合XRD和能譜對這些相進行分析,結(jié)果顯示:短炭纖維周圍輻射絮狀灰色相是TiC,輻射絮狀物越靠近短炭纖維C含量越高。由于短炭纖維的加入影響了液態(tài)釬料中Ti元素的擴散,進而影響了灰色相的分布,造成短炭纖維周圍輻射絮狀灰色相的出現(xiàn)。因為Ti對C是比較有親合力的元素,液相釬料中的Ti會向短炭纖維周圍擴散聚集,同時短炭纖維中的C也有少量的向外擴散,這樣先到達短炭纖維附近的Ti與C反應合成TiC,形成了短炭纖維與連接層的化學結(jié)合。在距離短炭纖維較遠且沒有確定形狀的灰色相,是釬料液相中沒有向短炭纖維聚集的Ti與液相反應的產(chǎn)物,其主要產(chǎn)物是TiA l和Ti3Al。由于Ti元素向短炭纖維的聚集較多,故用(Ag26Al)+Ti+C連接的中間層中出現(xiàn)的短條灰色相沒有(Ag26Al)+Ti連接的中間層中出現(xiàn)得多。

同樣的釬料分別用薄片和糊狀物形式釬焊時,結(jié)果表明將釬料壓制成薄坯一定程度上可以抑制釬料中A l的氧化。單純的Ag26A l釬料不能很好地連接Cf/ SiC復合材料和鈦合金,在釬料與復合材料結(jié)合面有裂紋,而且Ag26A l釬料對復合材料的潤濕性也非常差,在釬料表面有氧化現(xiàn)象。但隨著向Ag26A l釬料中添加Ti含量的提高,釬料對復合材料的潤濕性明顯提高,另外Ti元素也具有抑制A l元素氧化的效果。而且在Ag26A l釬料中添加適量的Ti可以很好地連接復合材料和鈦合金。將釬料做成薄坯和Ti元素的加入同時解決了釬料中A l氧化和對復合材料不潤濕的問題。短炭纖維的加入降低了釬料層的熱膨脹系數(shù),建立了一個熱膨脹系數(shù)介于Cf/SiC復合材料和鈦合金之間的過渡復合層,緩解接頭在降溫過程中產(chǎn)生的熱應力,同時提高了接頭強度。短炭纖維在釬料層中能均勻分布,且與釬料形成良好的化學結(jié)合。在不同的工藝條件下,采用AgA lTi和AgA lTi2C釬料釬焊,均可得到良好的接頭。

利用M TS810試驗機對AgA lTi2C接頭的剪切應力進行初步測試。當連接溫度為910℃保溫10min得到的接頭剪切強度為90.8M Pa。

3 結(jié)論

(1)采用AgA lTi和AgA lTi2C復合釬料釬焊Cf/ SiC復合材料和鈦合金,可以得到良好的接頭,把釬料壓制成薄片和Ti的加入可以抑制A l的氧化并提高潤濕性。

(2)釬料中的短炭纖維能均勻分布在連接層中,與擴散到它周圍的Ti反應生成TiC,與連接層形成很好的化學結(jié)合,降低連接層的熱膨脹系數(shù),有利于緩解熱應力。

(3)釬料中反應生成的TiA l和Ti3A l相能細小均勻地分布在連接層中。鈦合金中有大量的Ti擴散到連接層中參與反應。

(4)在910℃保溫10min的工藝條件下接頭最高剪切強度可以達到90.8M Pa。

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M icrostructures of Composite Brazing Joints of Cf/SiC Composites and TC4 Using AgA lTi2C Filler Materials

XUE Hang2yan,XIONGJin2hui,HUANG Ji2hua,ZHANG Hua, ZHAO Xing2ke,WANG Zhi2ping
(School of M aterials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

Cf/SiC composite and TC4 were successfully joined by the mixed pow ders of Ag,A l,Ti and sho rt carbon fibers under vacuum condition.The microstructure of the joints was investigated by X2 ray diffraction,scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry.The results show that the maxim um shear strength is 90.8M Pa and the op timal parameter is brazing at 910℃w ithin 10min.The addition of short carbon fibers contributes a lot to the shear strength by alleviating the thermal stress of the joints and to the in2situ fo rmation of TiC around the sho rt carbon fibers.Tiele2 ment can imp rove fillermetal’swettability to Cf/SiC composite and restrain the oxidation of Al element.

Cf/SiC;TC4;brazing;short carbon fiber

TG407

A

100124381(2010)0520068204

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2006AA 03A 221)

2009201221;

2009211202

薛行雁(1984—),女,碩士研究生,從事陶瓷與金屬釬焊技術(shù)的研究工作,聯(lián)系地址:北京市海淀區(qū)學院路30號北京科技大學材料學院253信箱熊進輝(100083),E2mail:xuehyhappy@yahoo.cn