權(quán)利要求

1.一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料，其特征在于，所述釬料由質(zhì)量比為(6~40)：1的Co-Fe-B合金粉末和Ti粉混合制備而成，其中，Co-Fe-B合金粉末中Co、Fe和B元素的質(zhì)量比為60.9：34.6：4.5。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料，其特征在于，Co-Fe-B合金粉末的粒徑為-300目，Ti粉的粒徑為25-75μm。

3.一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料的制備方法，其特征在于，主要包括如下步驟：

步驟(1)、計(jì)算并稱取Co塊、Fe塊和Fe-B中間合金塊;

步驟(2)、采用真空懸浮熔煉爐將Co塊、Fe塊和Fe-B中間合金塊熔煉為Co-34.6Fe-4.5B合金棒;

步驟(3)、采用真空爐對Co-34.6Fe-4.5B合金棒進(jìn)行成分均勻化熱處理;

步驟(4)、采用電磁感應(yīng)氣霧化法將熱處理后的Co-34.6Fe-4.5B合金棒制成球形的Co-Fe-B合金粉末;

步驟(5)、向Co-Fe-B合金粉末中添加Ti粉，Co-Fe-B合金粉末和Ti粉的質(zhì)量比為(6~40)：1，充分混合，即得釬料。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，熱處理的具體工藝為：真空環(huán)境下，在600℃的溫度下保溫3h，隨爐冷卻。

5.一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金的釬焊方法，其特征在于，主要包括如下步驟：

步驟一、用1500目和240目的砂紙分別對C/C復(fù)合材料和鈷基高溫合金進(jìn)行打磨處理，然后將打磨好的母材用無水乙醇超聲清洗5min;

步驟二、將權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的釬料用乙二醇調(diào)成膏狀，置于C/C復(fù)合材料和鈷基高溫合金之間，得到待焊件;

步驟三、將待焊件置于真空釬焊爐中不施加壓力，進(jìn)行釬焊，保溫結(jié)束后得到連接試樣。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金的釬焊方法，其特征在于，步驟三中，釬焊的具體工藝為：真空度低于5×10-3Pa，升溫速率為10℃/min，連接溫度為1050-1300℃，保溫時(shí)間為60-180min。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明涉及異種材料連接技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料、制備方法及釬焊方法。

背景技術(shù)

[0002]C/C復(fù)合材料具有低密度、良好的力學(xué)和抗高溫?zé)g性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域。然而C/C復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜、加工性能差，導(dǎo)致其難以加工成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，因此，C/C復(fù)合材料往往需要與加工性能好的金屬結(jié)合成復(fù)合件使用。鈷基高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化性和抗腐蝕性能，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金結(jié)構(gòu)件的可靠連接，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，不僅可以提高熱端部件使用溫度，還可以降低裝備重量和成本，對C/C復(fù)合材料應(yīng)用具有重要意義。

[0003]活性釬焊因其簡單、方便及成本低，是連接C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金最合適的方法，但采用傳統(tǒng)活性釬焊連接C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金存在以下兩個(gè)重要難題：(1)C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金在結(jié)構(gòu)和性能上有巨大差異，如C/C復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)約為1×10-6/K，鈷基高溫合金的熱膨脹系數(shù)約為(13～16)×10-6/K，兩者之間較大的熱膨脹系數(shù)差異，導(dǎo)致接頭存在較大的殘余熱應(yīng)力;(2)接頭常在高溫環(huán)境下服役，部分構(gòu)件服役環(huán)境甚至在1200℃以上，要求接頭具有耐高溫能力。

[0004]復(fù)合釬焊(包括反應(yīng)-復(fù)合釬焊)是為緩解異質(zhì)材料連接熱應(yīng)力而提出的一種連接方法，其工藝原理是在連接層中原位反應(yīng)合成低熱膨脹系數(shù)的增強(qiáng)相，使連接層熱膨脹系數(shù)介于兩母材之間，從而緩解接頭熱應(yīng)力，但是受低熔金屬釬料基體耐熱溫度的制約，復(fù)合釬焊無法提升接頭的耐熱溫度。理論上，采用高熔點(diǎn)的釬料可以提高接頭的高溫性能，但在較高的連接溫度下又會增加接頭熱應(yīng)力。

[0005]因此，為充分發(fā)揮C/C復(fù)合材料和鈷基高溫合金的耐高溫性能，并解決連接熱應(yīng)力和接頭耐高溫問題，有必開發(fā)要一種新型釬料，獲得低應(yīng)力耐高溫的C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金接頭，實(shí)現(xiàn)“低溫連接/高溫服役”。

發(fā)明內(nèi)容

[0006]本發(fā)明提供一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料、制備方法及釬焊方法，目的是解決C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接接頭連接熱應(yīng)力大和耐高溫能力差的問題。

[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體方案為：

一方面，本發(fā)明公開了一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料，所述釬料由質(zhì)量比為(6～40)：1的Co-Fe-B合金粉末和Ti粉混合制備而成，其中，Co-Fe-B合金粉末中Co、Fe和B元素的質(zhì)量比為60.9：34.6：4.5。

[0008]進(jìn)一步地，Co-Fe-B合金粉末的粒徑為-300目，Ti粉的粒徑為25-75μm。

[0009]另一方面，本發(fā)明公開了一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金連接用釬料的制備方法，主要包括如下步驟：

步驟(1)、計(jì)算并稱取Co塊、Fe塊和Fe-B中間合金塊;

步驟(2)、采用真空懸浮熔煉爐將Co塊、Fe塊和Fe-B中間合金塊熔煉為Co-34.6Fe-4.5B合金棒;

步驟(3)、采用真空爐對Co-34.6Fe-4.5B合金棒進(jìn)行成分均勻化熱處理;

步驟(4)、采用電磁感應(yīng)氣霧化法將熱處理后的Co-34.6Fe-4.5B合金棒制成球形的Co-Fe-B合金粉末;

步驟(5)、向Co-Fe-B合金粉末中添加Ti粉，Co-Fe-B合金粉末和Ti粉的質(zhì)量比為(6～40)：1，充分混合，即得釬料。

[0010]進(jìn)一步地，步驟(3)中，熱處理的具體工藝為：真空環(huán)境下，在600℃的溫度下保溫3h，隨爐冷卻。

[0011]再一方面，本發(fā)明公開了一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金的釬焊方法，其特征在于，主要包括如下步驟：

步驟一、用1500目和240目的砂紙分別對C/C復(fù)合材料和鈷基高溫合金進(jìn)行打磨處理，然后將打磨好的母材用無水乙醇超聲清洗5min;

步驟二、將釬料用乙二醇調(diào)成膏狀，置于C/C復(fù)合材料和鈷基高溫合金之間，得到待焊件;

步驟三、將待焊件置于真空釬焊爐中不施加壓力，進(jìn)行釬焊，保溫結(jié)束后得到連接試樣。

[0012]進(jìn)一步地，步驟三中，釬焊的具體工藝為：真空度低于5×10-3Pa，升溫速率為10℃/min，連接溫度為1050-1300℃，保溫時(shí)間為60-180min。

[0013]有益效果：

[0014](1)本發(fā)明采用共晶點(diǎn)成分的Co-Fe-B合金粉末和Ti粉的混合粉末作為釬料連接C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金。添加的Ti顆粒與源自C/C復(fù)合材料的C原子結(jié)合形成TiC增強(qiáng)相，能夠緩解熱應(yīng)力;同時(shí)，Co-Fe-B與鈷基高溫合金能夠發(fā)生相互原子擴(kuò)散，小原子半徑的B原子向高溫合金中擴(kuò)散。隨共晶成分點(diǎn)的連接層基體組分發(fā)生變化，從而引起連接層發(fā)生等溫凝固，隨保溫時(shí)間延長，連接層的耐熱性能逐漸升高，最終獲得低應(yīng)力耐超高溫接頭。

[0015](2)本發(fā)明的釬焊方法兼具反應(yīng)-復(fù)合釬焊和TLP連接優(yōu)勢，連接方法簡單，能夠獲得低應(yīng)力耐高溫接頭，實(shí)現(xiàn)了“低溫連接/高溫服役”。

附圖說明

[0016]圖1為釬料中Co-Fe-B合金粉末(a)和Ti粉(b)的微觀組織圖。

[0017]圖2為實(shí)施例1所得接頭的組織圖，圖2(a)上部為C/C復(fù)合材料，中間為中間層，下部為GH5188鈷基高溫合金，圖2(b)為中間層中原位反應(yīng)合成的TiC增強(qiáng)相。

具體實(shí)施方式

[0018]下面將結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于此。

[0020]實(shí)施例1

[0021]一種C/C復(fù)合材料與鈷基高溫合金的釬焊方法，具體連接工藝如下：

S1、采用線切割將C/C復(fù)合材料和GH5188鈷基高溫合金分別切割成5mm×5mm×5mm和10mm×10mm×4mm的試樣，然后依次采用400目、800目和1500目砂紙打磨C/C復(fù)合材料，240目砂紙打磨高溫合金，打磨好的待焊母材采用無水乙醇超聲波清洗5min;

S2、將釬料(Co-Fe-B：Ti=10:1)用乙二醇調(diào)成膏狀預(yù)置于C/C復(fù)合材料和GH5188高溫合金之間形成待焊件，上部為C/C復(fù)合材料，下部為GH5188高溫合金;

S3、將待焊件置于真空爐中，待真空度優(yōu)于5×10-3Pa，開啟加熱，升溫速度為10℃/min待焊件的連接溫度為1140℃，保溫時(shí)間為90min，保溫結(jié)束后隨爐冷卻獲得接頭。

[0022]圖1所示為釬料中Co-Fe-B合金粉末(a)和Ti粉(b)的微觀組織圖，由圖1可知，Co-Fe-B合金粉末為球形，粒徑為-300目。Ti粉呈球形，粒徑為25-75μm。對接頭組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。圖2為接頭整體組織結(jié)構(gòu)，圖2中放大圖為C/C復(fù)合材料側(cè)界面反應(yīng)層的放大圖。由圖2可知，所得接頭中，通過中間層使得C/C復(fù)合材料和GH5188鈷基高溫合金連接牢固，且中間層中原位合成有TiC增強(qiáng)相，進(jìn)而能夠緩解熱應(yīng)力。

[0023]實(shí)施例2

[0024]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別之處在于：步驟S2所用釬料中(Co-Fe-B)：Ti=15:1。

[0025]實(shí)施例3

[0026]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別之處在于：步驟S2所用釬料中(Co-Fe-B)：Ti=20:1。

[0027]對比例1

[0028]本對比例與實(shí)施例1的區(qū)別之處在于：步驟S2所用釬料為單一的Co-Fe-B。

[0029]對比例2

[0030]本對比例與實(shí)施例1的區(qū)別之處在于：步驟S3中保溫時(shí)間為15min。

[0031]對比例3

[0032]本對比例與實(shí)施例1的區(qū)別之處在于：步驟S2所用釬料中(Co-Fe-B)：Ti=5:1。

[0033]下面對實(shí)施例1-3及對比例1-3所得接頭進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行檢測。

[0034]為表征接頭力學(xué)性能，對接頭進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試。將接頭放置在自制的剪切模具中，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的加載速率為0.5mm/min，記錄最大加壓載荷，最后換算成接頭剪切強(qiáng)度。為表征接頭耐熱性能，對接頭連接層耐熱溫度進(jìn)行測試。利用線切割+打磨的方式制取連接層試樣，采用TG-DSC綜合分析儀測試連接層的起始液化溫度。剪切強(qiáng)度和起始液化溫度的測試結(jié)果如表1所示。

[0035]表1實(shí)施例1-3及對比例1-3所得接頭剪切強(qiáng)度和連接層起始液化溫度的測試結(jié)果

(Co-Fe-B)：Ti釬焊工藝剪切強(qiáng)度/MPa起始液化溫度/℃實(shí)施例110:11140℃×90min50.81145實(shí)施例215:11140℃×90min48.91155實(shí)施例320:11140℃×90min48.61160對比例11:01140℃×90min45.71165對比例210:11140℃×15min20.11110對比例35:11140℃×90min32.51130

[0036]由表1可知，在1140℃×90min連接工藝下，當(dāng)(Co-Fe-B)：Ti=(10～20)：1時(shí)，接頭力學(xué)性能均在40MPa以上，且連接層起始液化溫度均高于連接溫度，均實(shí)現(xiàn)了“低溫連接/高溫服役”。且隨釬料中Ti粉添加量的增加，接頭的力學(xué)性能先增加后下降，而連接層的耐熱性能逐漸降低。對比例1中，由于釬料僅采用單一的Co-Fe-B粉末，接頭的剪切強(qiáng)度低于48MPa，對比例2中，由于保溫時(shí)間短，接頭力學(xué)性能和耐熱性能均較低。對比例3中，由于(Co-Fe-B)：Ti=5：1，剪切強(qiáng)度不高，且連接層的起始液化溫度低于連接溫度，未實(shí)現(xiàn)“低溫連接/高溫服役”。

[0037]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非隨本發(fā)明作任何形式上的限制。凡根據(jù)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

說明書附圖(2)