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淺談碳碳復合材料和高溫合金的焊接
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。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 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。更多碳碳復合材料信息可查看http://www.zjxycs.cn
