碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料(C /C復(fù)合材料)低密度、低線膨脹系數(shù)、耐腐蝕、耐疲勞和耐摩擦良好，高溫強(qiáng)度，高比強(qiáng)度和模量等。碳/碳復(fù)合體當(dāng)工作溫度高達(dá)1 400℃時(shí)，復(fù)合材料仍能保持高溫強(qiáng)度，所以C /C復(fù)合材料作為一種理想的高溫結(jié)材料，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能、軍事等領(lǐng)域。GH3128是一種固溶強(qiáng)化的鎳基高溫合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的關(guān)鍵材料，具有優(yōu)異的綜合性能，室溫下最小拉伸強(qiáng)度為735 MPa。如果鎳基高溫合金和碳/碳復(fù)合材料通過焊接連接。 當(dāng)將這兩種材料結(jié)合在一起制備復(fù)合構(gòu)件時(shí)，它們可以充分發(fā)揮作用優(yōu)點(diǎn)，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高工作效率。

目碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接主要方法是擴(kuò)散焊接和銅焊。擴(kuò)散焊接對(duì)、樣品尺寸和表格狀態(tài)要求嚴(yán)格，連接過程中需要對(duì)母。材料施加高壓，所以焊接方法生產(chǎn)率低，成本低高，不適合批量生產(chǎn)。相比較而言，釬焊對(duì)對(duì)基材的表面條件要求低，可以在無壓力或小壓力下使用。在完全連接的情況下，接頭的結(jié)構(gòu)形式是多樣的。因此釬焊非常適合C /C復(fù)合材料與GH3128的連接。然而，由于其非常穩(wěn)定的電子配位結(jié)構(gòu)，碳材料非常它很難被普通焊料潤濕，所以本文使用了有源元件。鉻BNi2釬料用于制造C /C復(fù)合材料和GH3128研究了高溫釬焊及釬焊接頭的組織和性能這項(xiàng)研究。

檢測(cè)方法 試驗(yàn)中使用的C /C復(fù)合材料是湖南博云的新材料準(zhǔn)三維C /C復(fù)合材料，有限公司制備的碳纖維預(yù)置體為無紡布和網(wǎng)胎，基底采用化學(xué)氣相沉積法沉積。浸漬和熱解結(jié)合得到的石墨密度為1.7G/cm 3，孔隙率為10% ~ 20%，室溫剪切強(qiáng)度為32 MPa的填充金屬。BNi2粉是Ni-7。0cr-3。0fe-4.5Si-3.1B(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。鎳基高溫合金GH3128化學(xué)成分如表1所示。

真空釬焊前切割C /C復(fù)合材料和GH3128切成10 mm × 5 mm ×5 mm的樣品，連接起來表面用砂紙適當(dāng)打磨后，放入丙酮中進(jìn)行超聲波洗滌。BNi2焊膏用作連接材料。銅焊入在VBF-113真空釬焊爐中，真空度低于5×10°- 3釬焊溫度為1 170℃，保溫時(shí)間為60min。焊接接頭的剪切試驗(yàn)在GLEEBLE-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓頭移動(dòng)速度為0。5毫米/分鐘。使用掃描電子顯微鏡。微鏡(SEM，CS3400)接頭的界面微觀結(jié)構(gòu)與斷裂觀察，用能譜儀(EDS)研究接頭界面局部區(qū)域。 成分分析。逐層剝離關(guān)節(jié)接口，用x射線衍射分析儀(XRD，D/max 2500)進(jìn)入物體的相位分析。

釬焊接頭界面的微觀結(jié)構(gòu) 圖1顯示釬焊溫度為1 170℃，保溫時(shí)間為60分鐘。釬焊接頭的顯微組織。圖1a顯示了接頭的宏觀微觀結(jié)構(gòu)外觀上，左側(cè)為C /C復(fù)合材料，中間為BNi2釬縫結(jié)構(gòu)， GH3128。在右邊。圖1a顯示釬焊接頭均勻致密，C /C C復(fù)合材料與鎳基高溫合金形成良好的冶金結(jié)合，接頭中未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。圖1b和C分別是 兩種母材和釬焊縫界面的放大顯微組織。為了確定接合界面對(duì)結(jié)合界面上A-J的每個(gè)區(qū)域進(jìn)行相組成和EDS能譜分析，表2給出了各區(qū)的平均化學(xué)成分(由于能譜該儀器不能對(duì)輕元素和重元素進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，所以在表2中元素B的含量未給出)。

在EDS列表中，a區(qū)和c區(qū)主要含有元素c和Cr，根據(jù)Cr-Cⅱ，Cr元素具有很強(qiáng)的碳化物形成能力元相圖，這個(gè)區(qū)域可能生成的相是Cr3C2。根據(jù)已知Cr與C元素反應(yīng)形成的Cr _ 3 C _ 2的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯是自足的。能威δG(Cr 3c 2)=-791。000 -17.7 × 10- 3噸(1)其中△G為反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的吉布斯自能；t是溫度。經(jīng)過因此，Cr和C在1 170℃反應(yīng)的吉布斯自由能大概是-816。54 kJ/mol，這表明在實(shí)驗(yàn)中采用的條件接下來，Cr原子聚集到C /C復(fù)合材料的側(cè)面，并可能與C原子相互作用。通過子反應(yīng)生成Cr 3 C 2在熱力學(xué)上是可行的。 此外，CrC _ 2的形成有利于改善焊料對(duì)C /C復(fù)合材料的潤濕性。b區(qū)主要由四種元素組成，C、Cr、Mo和W，以及根據(jù)元素周期表，Cr、Mo、W是同一個(gè)族躍遷元素，晶格常數(shù)接近，都有很強(qiáng)的碳化物形成能力，所以推測(cè)B區(qū)是Cr、Mo、W、C元素的絡(luò)合物形成碳化物，記為MC(M = Cr，Mo，W)。D、G和h區(qū)。這個(gè)區(qū)域鉻、鉬、鎢、鎳、硅比較多，可能含有硅。復(fù)雜的金屬間化合物，即M x Ni y Si z (M = Cr，Mo，w)E區(qū)和F區(qū)的Ni含量超過75%。分析這個(gè)區(qū)域。它是鎳基固溶體，擴(kuò)散區(qū)為鎳(Ni(s. s)。GH3128的特點(diǎn)是鉻和鎳是主要元素，還含有少量的鉬、鎢和碳元素?？赡軙?huì)形成碳化物。此外，B的原子相對(duì)較小半徑，在釬焊過程中很容易擴(kuò)散到GH3128中在基體中，并與Cr，Mo，W元素反應(yīng)生成硼化物，因此推測(cè)在擴(kuò)散區(qū)也形成了MB(M = Cr，Mo，W)。

為了進(jìn)一步確認(rèn)接頭的界面產(chǎn)物，采用了逐層剝離的方法。對(duì)接頭的界面進(jìn)行x射線衍射分析，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，在C /C復(fù)合材料的側(cè)面附近存在Cr 3 C 2和Cr3C2MC化合物形成；GH3128的擴(kuò)散區(qū)域?yàn)镃r 7 C 3和MB生成；Cr 3 C 2和M 3 Ni 2 Si在焊縫中心生成，表示焊縫區(qū)域疇M x Ni y Si z的主要成分是M 3 Ni 2 Si，XRD沒有檢測(cè)到它的M、Ni、Si反應(yīng)產(chǎn)物可能是由于含有其他反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)量太少的原因，這個(gè)問題需要進(jìn)一步深入研究。

結(jié)合EDS能譜分析和結(jié)合界面XRD分析結(jié)果表明，釬焊溫度為1 170℃，保溫時(shí)間為60 min。在此工藝條件下釬焊了C /C復(fù)合材料/BNi2 /GH3128。在頭部區(qū)域，生成了Cr _ 3 C _ 2，MC，M _ 3 Ni _ 2 Si，Cr _ 7 C _ 3，MB。應(yīng)該是產(chǎn)品。

釬焊接頭的機(jī)械性能 圖3顯示了在1 170℃釬焊10分鐘。接頭的剪切試驗(yàn)曲線?？梢钥闯?，試驗(yàn)中的抗剪強(qiáng)度增加到最大值，然后立即降低到零，這表明C /C復(fù)合材料/BNi2 /GH3128接頭的斷裂類型為脆性斷裂，接頭的剪切強(qiáng)度為24 MPa。

圖4顯示了釬焊接頭斷裂的宏觀外觀。對(duì)接釬焊接頭根據(jù)GH3128斷裂表面的宏觀形貌分析(圖4a)，斷裂整體上是脆性的，根據(jù)不同的斷面形態(tài)會(huì)斷裂。該表面被分成三個(gè)區(qū)域，即平行于焊縫的碳纖維區(qū)域I和碳纖維。垂直于焊縫的區(qū)域II和具有隨機(jī)分布的碳纖維的區(qū)域III。是在I區(qū)，斷裂發(fā)生在C /C復(fù)合材料的焊接區(qū)附近，這是因?yàn)槔w維束中碳纖維與基體的結(jié)合力低于C /C C。復(fù)合材料/BNi2界面強(qiáng)度，碳纖維將抵抗層間剪切力。在碳纖維的作用下，ⅱ區(qū)和ⅲ區(qū)的斷口上也覆蓋了一層碳纖維，粗糙不平，碳纖維被拔出剪切。斷裂現(xiàn)象表明斷裂也發(fā)生在C /C復(fù)合材料附近的焊接處接縫區(qū)域。

用EDS分析了斷口中a、b、c的典型位置。(表3)，可以看出A、B、C主要含有元素C還有倪。結(jié)合前面的分析，可以知道斷口中有碳纖維。在鎳(不銹鋼)中，這是因?yàn)樵阝F焊過程中沿著C /C復(fù)合材料有焊料。材料的孔隙滲透到基體中。接頭斷裂發(fā)生在C /C復(fù)合材料附近材料的焊接區(qū)域。

結(jié)論 (1)釬焊溫度為1 170℃，保溫時(shí)間為6 min在此工藝條件下，使用BNi2釬料可以實(shí)現(xiàn)C /C復(fù)合材料。與鎳基高溫合金GH3128結(jié)合良好，焊縫整體呈均勻，無裂紋、氣孔等缺陷，接縫抗剪切能力強(qiáng)是24mpa。 (2)接頭界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成于焊縫區(qū)Crc2，MC，M 3 Ni 2 Si，Cr 7 C 3，MB等反應(yīng)產(chǎn)物。 (3)接頭斷裂為脆性斷裂，發(fā)生接頭斷裂靠近碳/碳復(fù)合材料的焊接區(qū)域。