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簡述碳碳復合材料與其他材料的焊接研究
簡述碳碳復合材料與其他材料的焊接研究
C/C復合材料是一種碳纖維增強的碳基體復合材料，具有密度小、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊和優良的摩擦性能等優點，而且在2 000 ℃下強度隨溫度的升高而升高，既可用作高溫結構材料，又能用作功能材料，目前在航空航天、軍工、醫學及其它眾多領域有著大量應用。在航空航天工業，C/C復合材料可用于導彈、火箭的部件，還可用于返回艙擋熱板，飛機剎車盤及發動機的導管、噴嘴、葉片前緣等位置[1]。
C/C復合材料的制備成本較高，周期長且工序繁雜，因此在不影響結構使用性能的情況下將C/C復合材料和其它常用材料連接在一起可以降低成本、提高生產效率。但是C/C復合材料的焊接存在若干難題：①常用釬料對C/C復合材料基體的潤濕性較差；②C/C復合材料的熱膨脹系數與其它異種材料及釬料的熱膨脹系數差異較大；③如何保證焊后接頭還保持C/C復合材料的高溫特性。
C/C復合材料的連接方式有機械連接、焊接、膠接等，文中僅針對C/C復合材料的焊接展開。由于C/C復合材料的熔點較高，難以采用熔焊的方法，目前其主要連接方式為釬焊和擴散焊，使用釬焊方法 焊接C/C復合材料簡便、成本低、可以大量生產[2]。國內外對C/C復合材料與金屬、非金屬的焊接進行了大量研究，文中將從C/C復合材料之間以及C/C復合材料與鈦及鈦合金、高溫合金、TiAl合金的焊接研究現狀等方面進行論述。
1 C/C復合材料與C/C復合材料的焊接
1.1 C/C復合材料與C/C復合材料的釬焊
釬焊是目前C/C復合材料間最主要的焊接方式。易振華等人[3]通過試驗證明含Ti質量分數為12%～16%的Ti-Cu合金釬料對C/C復合材料的潤濕性最好；焊后Ti向C/C復合材料側聚集并形成TiC，降低了界面張力，提高了釬料的潤濕性。
陳波等人[4]研究了Pd-Ni基釬料對C/C復合材料的潤濕性以及釬焊時的層間反應。采用四種Pd-Ni基釬料，分別為Pd-40Ni，PdNi-(4～11)Cr，PdNi-(12～25)Cr和 Ni-33Cr-24Pd-4Si，釬料均呈粉末狀。對Ni-33Cr-24Pd-4Si釬料和C/C復合材料反應接頭進行金相觀察和能譜分析發現Cr和C/C復合材料反應形成Cr-C反應層，同時形成的還有Pd2Si,Pd3Si化合物，其余釬焊區域中富含Ni，缺少Pd。試驗發現Pd-40Ni，PdNi-(4～11)Cr,PdNi-(12～25)Cr,Ni-33Cr-24Pd-4Si對C/C復合材料的潤濕角分別為69°,75°,3°,2°，研究認為Cr含量的提高有助于Pd-Ni基釬料對C/C復合材料的潤濕。
C/C復合材料釬焊構件通常在高溫環境中使用，因此需要釬縫成分具有較高的熔點。M.Salvo等人[5]使用Si箔作為釬料釬焊C/C復合材料，釬焊溫度為1 400 ℃，保溫時間90 min。釬焊過程中Si與C反應形成SiC，在靠近釬料處形成Si/SiC層，在靠近母材處形成C/SiC層，獲得的接頭剪切強度為22 MPa。
Ti,Si及其合金均能用于C/C復合材料的釬焊，但接頭抗氧化性較差且由于釬料基體熱膨脹系數的差異易在接頭處形成裂紋。玻璃釬料熱膨脹系數低，部分玻璃釬料熱膨脹系數非常接近C/C復合材料，但是玻璃釬料與C/C復合材料釬焊時易產生CO,CO2氣體，在焊縫處形成氣孔[2]。
C.lsola等人[1]使用SABB玻璃材料作為釬料釬焊C/C復合材料。SABB玻璃材料的成分為70.4SiO2-2.1Al2O3-17.5B2O3-10.0Ba0(質量分數，%)。因為C/C復合材料對大部分玻璃材料均不潤濕，因此C/C復合材料表面需要經過SiC改性，SABB玻璃對SiC的潤濕角為20°左右。將混合酒精與Si粉制成的Si漿涂抹在C/C復合材料表面，在惰性氣體保護的環境下加熱到Si熔點以上溫度，此時會在C/C復合材料表面形成β-SiC層，在該研究中表面改性加熱溫度為1 550 ℃，保溫1 h，升溫速度為30 ℃/min，表面β-SiC層厚度小于150 μm。采用兩種釬焊溫度曲線，分別為1 200 ℃保溫60 min升至1 300 ℃保溫5 min以及直接1 300 ℃保溫1 h，獲得的接頭室溫剪切強度均達到30 MPa。
根據目前的研究現狀，C/C復合材料之間的釬焊可以采用以下主要方式。
(1)通過改變釬料中活性元素(Ti，Cr等)的含量提高釬料對C/C復合材料母材的潤濕性。釬焊時，這些活性元素向釬料與母材連接界面聚集，產生化合物形成接頭。采取這種釬焊方式會面臨釬料與母材熱膨脹系數差異較大引發裂紋的問題。
(2)使用Si或Mg2Si化合物釬料進行釬焊。該方式主要通過反應而非潤濕形成接頭，其優點在于釬縫成分性能與母材接近，缺點在于反應過程中易在釬縫附近形成氣孔，影響釬縫強度。
(3)通過在C/C復合材料待焊面進行表面處理，如涂覆、燒結、沉積、打孔等，在表面形成一層焊接性更好的過渡層或者增加釬焊面積，可提高釬料對母材的潤濕作用，同時能緩解因釬料母材熱膨脹系數的差異產生裂紋。
1.2 C/C復合材料與C/C復合材料的其它焊接方式
擴散焊也是C/C復合材料焊接常用的方式。相對于釬焊工藝，擴散焊接時，中間層材料與母材元素之間的互擴散更加劇烈。C/C復合材料間的擴散連接時可在母材表面涂覆、沉積Mn粉等金屬粉末，一定溫度下形成碳化物連接層，繼續升溫碳化物分解，分解出的金屬元素蒸發從而生成連續的石墨連接層。硼和硼化物常被用于C/C復合材料的擴散焊，焊接時硼與碳能夠完全反應形成B4C，獲得的接頭在高溫環境下的剪切強度與C/C復合材料固有層間強度相當[2]。
王杰等人[6]使用Ti-Ni-Si合金作為中間層真空擴散焊接C/C復合材料。試驗證明最佳的焊接參數為加熱溫度1 150 ℃，加壓30 MPa，保溫45 min，在該參數下獲得的焊接接頭平均剪切強度達到23.58 MPa。結果表明在連接區域發生了元素的互擴散和化學反應，該區域化合物包括Ni4Si7Ti4，TiSi2， SiC和TiC等。在接頭處有三種裂紋形式，這些裂紋容易在層間、界面和C/C復合材料基體上產生。對接頭進行熱疲勞試驗發現接頭的剪切強度在經過5次熱循環之后急劇下降。分析由于Ti合金與C/C復合材料的熱膨脹系數差距較大，因此在熱循環下釬料母材膨脹程度不同產生位錯，從而易于形成裂紋。
自蔓延連接(Combustion Joining，簡稱CJ)也被用做C/C復合材料的連接方法。它將中間層粉末或多層夾層自蔓延高溫合成反應產生的熱量做為熱源，是C/C復合材料的連接中一種節能的方法。此連接方法類似于壓力焊，例如將基體與連接材料放置在兩個銅電極之間通過加壓加熱使材料連接。該方法目前使用的夾層有Ti-C，Si-C，Ni+Ti/Ni+Al等 [7]。
Lin Ya-Cheng 等人[8]通過自蔓延連接對C/C復合材料進行連接。中間層材料采用鈦合金和Ni/Al粉末的混合物，連接方式如圖1所示。在連接前將工件預熱到630 K，連接初始壓力為4 MPa，最終壓力為20～40 MPa，應用的電流為200～400 A，持續時間5 s。經過熱成像分析，在0.8～0.9 s的時候工件的溫度達到最高，達1 500 K。焊后工件連接處產生了75～100 μm、無氣孔但有大裂紋的連接層，該連接層由NiAl和TiC組成。
擴散連接是C/C復合材料間主要的焊接方式之一。C/C復合材料間的擴散連接與釬焊的不同點在于C/C復合材料間的擴散連接更注重于通過高溫高壓下的反應形成穩定的中間連接層，而釬焊工藝則注重通過改變釬料活性元素的含量、母材表面改性等措施提高釬料對母材的潤濕性。
C/C復合材料的擴散連接獲得的連接接頭高溫性能穩定，但其通常采用高溫高壓環境下析出中間層雜質相的方式易在連接層界面產生缺陷。
自蔓延連接這種新型的連接方式獲得的焊接接頭能滿足一定的強度要求，但這種方式易面臨焊后中間層裂紋的問題，該問題需在今后的研究中加以克服。
2. C/C復合材料與鈦及鈦合金的焊接
鈦合金比強度高、抗腐蝕性能好、綜合力學性能優異，是目前航空航天領域的明星材料。將鈦合金與具有優異高溫性能的C/C復合材料連接起來能夠獲得質量輕、高溫性能好、能夠滿足一定結構強度要求的連接件，在航空航天等領域有著廣泛的應用前景。銀基、鈦基釬料是C/C復合材料與鈦合金釬焊常用的釬料。M.Singh等人[15]采用三種釬料釬焊C/C復合材料與純鈦，三種釬料分別為Cu-ABA,TiCuNi和TiCuSi，均呈箔狀，厚度約為50 μm。分析發現，在釬焊過程中溶質的再分配和擴散導致的冶金結合保證了釬料對基體的潤濕性。C/C復合材料中的C纖維束的取向影響了接頭的性能，采用Cu-ABA釬料能夠獲得最佳的接頭性能；C纖維束的方向垂直于Ti管軸獲得的接頭承載能力最高，C纖維束的方向平行于Ti管軸獲得的接頭承載能力最低。
郭偉等人[16]對C/C復合材料和TC4鈦合金的釬焊進行了研究，采用的釬料為AgCu釬料(72Ag-28Cu，質量分數，%)。釬焊溫度820～940 ℃，保溫3～30 min。焊接時TC4鈦合金中的Ti擴散到釬料和C/C復合材料中，提高了釬料對C/C復合材料的潤濕性并且和釬料、母材發生化學反應。試驗證明，可以通過AgCu釬料釬焊C/C復合材料和TC4鈦合金，接頭界面為TC4/Ti2Cu+Ti(s.s)/Ti2Cu/TiCu/Ag(s.s)+Ti3Cu4/TiC/C/C復合材料，獲得的接頭剪切強度在880 ℃時可保持33 MPa達10 min。
秦優瓊等人[17]采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶態合金釬料釬焊C/C復合材料和TC4鈦合金。在C/C復合材料、TC4鈦合金與箔狀鈦基釬料之間分別加入一層Cu中間層和一層Mo中間層，這樣一方面可避免釬料與TC4鈦合金母材形成大量鈦銅、鈦鎳等脆性化合物，另一方面可緩解由于母材與釬料熱膨脹系數差異在接頭處產生的殘余應力。結果證明,這種方法能用于C/C復合材料和TC4鈦合金的釬焊，且隨著釬焊溫度的增加和保溫時間的增長，Cu和Mo中間層的溶解加劇，形成連續、厚度較大的反應層。
由于銀基、鈦基釬料對C/C復合材料的潤濕性較差，需要提高溫度來改善釬料對母材的潤濕性，當釬焊溫度超過了鈦合金的相變溫度時，會導致整體結構的韌塑性下降。因此,焊前對C/C復合材料進行表面處理，在C/C復合材料表面添加一些與釬料潤濕性好的材料，可以降低釬焊溫度，提高接頭的性能[18]。李爭顯等人[19]在TC4鈦合金表面沉積一層鎳層，厚度為3 μm，采用真空釬焊焊接TC4鈦合金與C/C復合材料，釬料采用銀基釬料和鎳基釬料，釬焊溫度為800～850 ℃，保溫時間15 min，得到的釬焊接頭室溫剪切強度達到48 MPa。
綜上所述，目前釬焊是C/C復合材料與鈦合金焊接的主要手段，銀基釬料、鈦基釬料等均可用于C/C復合材料與鈦合金的釬焊。
鈦合金與C/C復合材料釬焊的優勢在于Ti本身對C/C復合材料的潤濕性比較好，但是釬焊溫度超過鈦合金相變溫度時會降低釬焊接頭的性能。通過在母材表面沉積鎳層等處理方式可以降低釬焊溫度，保證釬焊溫度不超過鈦合金的相變溫度。
鈦合金與C/C復合材料的釬焊主要依靠釬料與母材元素的潤濕與擴散，因此采用合理釬焊溫度和保溫時間來保證釬料母材的充分反應，避免產生過量金屬間化合物。
3. C/C復合材料與TiAl合金的焊接
TiAl合金因其低密度、高比強度、高溫抗蠕變性能好，在飛行器渦輪發動機組件等部位的應用取得了優異的效果。使用包含50%(質量分數，%)的C/C復合材料的C/C-TiAl連接材料能節省27%的質量，從而提高發動機的推重比。C/C復合材料與TiAl合金的連接可提高高溫構件的工作溫度，擴展應用范圍[20]。曹健等人[21]利用自蔓延連接的方法對C/C復合材料和TiAl合金(Ti-46Al-2Cr-2Nb，原子分數，%)進行連接，采用Ag-Cu-Ti釬料(Ag-26.4Cu-4.5Ti，質量分數，%)與Ti-Al-C夾層。在連接過程中，將近8 s時工件中心峰值溫度達到1 943 ℃，靠近Ti-Al-C夾層附近溫度在近20 s時也達到1 644 ℃，遠高于Ag-Cu-Ti釬料的熔點。改變Ti-Al-C夾層的厚度發現試樣的抗剪切強度隨夾層厚度增加先提高后降低，在夾層厚度為500 μm時達到最大，此時工件的剪切強度為17.6 MPa，通過金相觀察結果發現靠近C/C復合材料側有大量TiC化合物，靠近TiAl合金側則含有大量Ti-Al-Cu，中間夾層附近則以TiAl3和TiC居多。
王厚勤等人[22]使用Ag-Cu-Ti釬料釬焊C/C復合材料與TiAl合金。使用的TiAl合金為Ti-46Al-2Cr-2Nb，釬料為Ag-26.7Cu-4.6Ti(質量分數，%)，箔狀，厚度為50 μm。試驗前用針在C/C復合材料表面刺出一些直徑為0.8 mm、深度為1～3 mm的小孔。試驗證明,Ag和Ti之間的互斥對接頭的微觀組織有明顯的影響，釬焊溫度1 193 K，保溫10 min時，得到的接頭典型結構為TiAl/Ti3Al+AlCuTi/AlCu2Ti/Ag(s.s)/TiC/CC。當連接溫度低于1 213 K時，接頭處出現了銀基固溶體的等溫線凝固，此時在界面處出現層結構，等溫線凝固有助于降低Ti在C/C復合材料表面的聚集；層結構在連接溫度達到1 213 K時被破壞，這會降低接頭的強度。C/C表面被刺破的小孔導致的滲透層可顯著強化接頭，提高接頭的抗沖擊能力。
目前國內展開了一些C/C復合材料與TiAl合金的焊接研究。自蔓延連接能用于C/C復合材料與TiAl合金的焊接，焊接時為保證接頭的抗剪切強度需要合理控制中間層的厚度。C/C復合材料與TiAl合金釬焊時可通過對C/C復合材料進行表面打孔處理提高釬焊接頭的強度。
4. C/C復合材料與高溫合金的焊接
高溫合金抗氧化性能好，抗熱腐蝕性能優異，工作溫度高，組織穩定且有害相少，能在較高溫度與應力的環境下工作，它廣泛地應用于制造航空發動機、各類燃氣輪機的最熱端部件，如渦輪部分的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等部件[9]。C/C復合材料在室溫時強度較低且制備周期長、成本高，而C/C復合材料與鎳基高溫合金連接后質量輕、承載能力高、高溫壽命長。鎳基釬料是C/C復合材料與鎳基高溫合金釬焊的最常用釬料。吳永智等人[10]使用BNi68CrWB釬料釬焊C/C復合材料和GH600高溫合金。釬焊溫度為1 150 ～1 200 ℃，保溫10 min。試驗表明，Ni不與C形成化合物，該釬焊溫度也達不到Si與C的反應溫度。接頭處主要是Ni與Si，Cr與C發生反應形成化合物促進釬料與母材的潤濕。焊后接頭室溫剪切強度為50 MPa，在700 ℃下的剪切強度為22 MPa。接頭斷裂破壞的主要因素為各部分材料熱膨脹系數差距較大導致的受熱位錯。在釬焊過程中，B由于無法向C/C復合材料擴散，反而與W在釬料母材界面處形成大塊不均勻的WB化合物也是導致斷裂的原因。接頭的高溫剪切強度受C/C復合材料氧化的影響而下降。
C/C復合材料與高溫合金不互溶，熱膨脹系數差異大，因此直接將C/C復合材料與高溫合金連接在一起效果并不理想。對C/C復合材料進行表面處理或者在釬料中添加一些促進潤濕的物質能夠改善釬焊接頭的強度。
郭領軍等人[11] 使用Ni-Ti粉末作為連接材料真空擴散連接C/C復合材料和GH3128高溫合金，一組C/C復合材料表面不作處理，一組C/C復合材料表面涂敷SiC涂層。擴散焊加熱溫度為1 050～1 250 ℃，加壓8～20 MPa，保溫60 min。結果發現未涂敷SiC涂層時，所獲得的接頭抗剪強度幾乎為0；而涂敷SiC涂層時，在不同的加熱溫度下，接頭的剪切強度差距較大，在加熱溫度為1 170 ℃時可以獲得剪切強度為23 MPa的接頭，而在1 130～1 150 ℃時，接頭有明顯的裂紋缺陷，因此剪切強度較低。經過分析，SiC涂層一方面能夠增強Ti,Ni等元素對C/C復合材料的潤濕性，另一方面可緩解因C/C復合材料與GH3128高溫合金熱膨脹系數不同產生的熱應力。
田曉羽等人[12]通過添加TiH2的BNi2粉狀釬料釬焊C/C復合材料和GH99鎳基高溫合金，釬焊溫度為1 170 ℃，保溫時間為1 h，分別采用含TiH2量為1%,3%,8%的釬料進行釬焊，結果發現釬料中含TiH2量為3%時獲得的接頭性能最好。原因在于TiH2中的Ti能夠促進C/C復合材料向釬縫中的擴散，產生彌散的MC顆粒，降低C/C復合材料基體與釬縫的不匹配程度，緩
解殘余應力；但釬料中TiH2含量過多時，釬縫中會產生大量的片狀TiC，降低接頭的塑性變形能力。采用含3% TiH2的BNi2釬料進行釬焊時獲得的接頭抗剪強度在室溫為40 MPa，在800 ℃可達19 MPa，明顯高于僅用BNi2釬料進行釬焊獲得的接頭。
張鑫等人[13]使用BNi5釬料真空釬焊C/C復合材料與鎳基高溫合金GH3044，釬料呈粉狀，釬焊溫度為1 180 ℃，保溫30 min。進行兩組試驗，其中一組C/C復合材料表面SiC改性，另一組復合材料表面不作處理。結果表明，使用BNi5釬料可以成功焊接經過表面SiC改性的C/C復合材料與鎳基高溫合金GH3044，而焊接未經表面改性的C/C復合材料時在C/C復合材料與釬料界面會產生裂紋。經過分析，一方面SiC涂層有效的減緩了C/C復合材料與鎳基高溫合金因為熱膨脹系數相差較大產生的熱應力；另一方面，釬料與表面改性的C/C復合材料反應形成的中間層具有一定的韌塑性致使斷裂發生在C/C復合材料一側。獲得的接頭常溫下剪切強度達到35.08 MPa，接頭界面為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表示固溶體。
沈元勛等人[14]通過Ag-Cu釬料釬焊C/C復合材料和鎳基高溫合金，鎳基高溫合金的成分為Ni-20Cr-8W-7.5Mo-2Fe-0.6Al-0.5Ti (質量分數，%)。Al2O3夾層的厚度為2 mm，釬料為箔狀Ag-28Cu，厚度為250 μm。進行三組試驗，第一組不使用Al2O3夾層直接釬焊；第二組在兩層釬料中夾持Al2O3層；第三組不僅在兩層釬料中夾持Al2O3層而且對C/C復合材料表面進行激光打孔處理。釬焊溫度為910 ℃，保溫10 min。焊后第一組接頭彎曲強度只有16 MPa，第二組接頭彎曲強度為33 MPa，第三組接頭彎曲強度為73 MPa，這說明添加Al2O3夾層，對C/C復合材料表面進行打孔處理均能提高釬焊接頭的彎曲強度。經過分析，不加Al2O3夾層的焊后接頭由于殘余應力大導致彎曲強度非常低，添加Al2O3夾層能夠獲得結合良好且韌性高的接頭的原因在于Al2O3夾層能夠有效防止Ni和Ti的擴散及反應，降低接頭的殘余應力；對C/C復合材料表面進行激光打孔，使表面呈波浪形能夠增大連接面積，降低殘余應力，同時在母材表面的小孔處釬焊形成的針狀物提高了對C/C復合材料的連接強度。
目前國內外進行了大量C/C復合材料與鎳基高溫合金的釬焊研究。C/C復合材料與鎳基高溫合金釬焊的主要問題有：①鎳對C/C復合材料的潤濕性差；②鎳基釬料與C/C復合材料熱膨脹系數差異較大，易引發連接界面處的裂紋。
針對上述問題，目前通常采用的主要措施為對母材進行表面改性，進行SiC表面改性等方式可以促進釬料與母材的潤濕，同時可以緩解C/C復合材料與高溫合金因熱膨脹差異較大產生的熱應力。另外通過優化釬料添加成分或使用過渡層的方式能夠有效緩解焊接殘余應力。
5 結 論
由于C/C復合材料熔點高，難以采用熔焊工藝，因此主要采用釬焊和擴散焊方法進行焊接。C/C復合材料釬焊與擴散焊時面臨的主要問題有：①常用釬料對C/C復合材料的潤濕性不好；②C/C復合材料的熱膨脹系數很低，與大部分釬料的熱膨脹系數差距大，高溫下焊縫內會形成較大的熱應力而開裂；③為了充分發揮C/C復合材料的高溫性能優勢，通常要求其焊縫具有良好的高溫性能。為了解決上述問題，目前國內外研究主要采取了以下措施：①對C/C復合材料表面進行處理，如涂覆、燒結、打孔、沉積SiC等材料，可以提高母材與釬料潤濕性、在接頭界面形成過渡層防止熱膨脹不均產生裂紋等；②在釬料中添加一些活性元素或化合物，這些活性元素化合物能夠促進C/C復合材料向釬縫中的擴散，產生彌散顆粒，降低C/C復合材料基體與釬縫的不匹配程度，緩解殘余應力；③改變釬料中活性元素的含量以提高釬料對C/C復合材料母材的潤濕性；④C/C復合材料的擴散焊時可在母材與中間層之間夾持過渡層，緩解母材與釬縫的熱膨脹程度差異。
未來C/C復合材料連接技術的發展將會得到各國高精尖產業的更多重視。現階段，C/C復合材料與鈦合金、高溫合金等的焊接已經成功實現。如何有效解決目前C/C復合材料焊接常見的問題(如接頭產生裂紋、接頭高溫性能差等)也是未來研究的熱點。如同目前自蔓延連接這類新型方式的應用，今后必然將會產生更多新型的方法用于推進C/C復合材料連接技術的進步。更多碳碳復合材料信息可查看http://www.jllgx.com
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