本發(fā)明涉及用于Cf/SiC復(fù)合材料與不銹鋼釬焊的釬焊材料及釬焊工藝，屬于釬焊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
SiC陶瓷具有良好的高溫強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和高溫抗氧化能力，但由于其分子結(jié)構(gòu)的鍵合特點(diǎn)，缺乏塑性變形能力，表現(xiàn)為脆性，嚴(yán)重影響了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。碳纖維擁有良好的高溫力學(xué)性能和熱性能，在惰性環(huán)境中超過2000℃仍能保持其力學(xué)性能不降低，用碳纖維增強(qiáng)SiC陶瓷，材料在斷裂過程中通過裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維斷裂和纖維拔出等機(jī)理吸收能量，既增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和韌性，又保持了SiC陶瓷良好的高溫性能。碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(Cf/SiC)充分結(jié)合了碳纖維和SiC陶瓷基體的優(yōu)勢，具有對裂紋和熱震敏感性低、密度低、強(qiáng)度高、耐磨性好、耐化學(xué)腐蝕等一系列優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、交通、石油化工等領(lǐng)域。
與金屬材料相比，Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料具有脆性大、強(qiáng)度分散和加工困難等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致其抗冷熱沖擊能力差，難以制成尺寸大、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，從而限制了其應(yīng)用范圍。金屬材料具有良好的塑性成形能力，在一些應(yīng)用領(lǐng)域中有必要將Cf/SiC復(fù)合材料與金屬材料進(jìn)行連接，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的目的。目前國內(nèi)外通常采用的連接方法有擴(kuò)散連接、機(jī)械連接、物理和化學(xué)氣相沉積連接和釬焊等。在上述連接方法中，釬焊具有工藝簡單、設(shè)備投資低以及適合生產(chǎn)要求、接頭性能好等優(yōu)點(diǎn)。不銹鋼是制造生產(chǎn)航空航天部件的重要材料，實(shí)現(xiàn)不銹鋼與Cf/SiC復(fù)合材料釬焊連接對航空航天發(fā)展具有重要意義。
現(xiàn)已報(bào)道的用于Cf/SiC復(fù)合材料直接釬焊的釬料有AgCuTi釬料，鈀基釬料。由于AgCuTi釬料熔點(diǎn)低，釬焊接頭無法滿足450℃以上的高溫使用性能。中國公開號為CN101920410A、CN101920411A的發(fā)明專利分別公開了用于Cf/SiC復(fù)合材料的銅鈀基與鈷鈀基高溫釬料，用其釬料在1110℃～1250℃的釬焊溫度下獲得Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料連接接頭，對應(yīng)釬焊接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到110～170MPa，但發(fā)明的這兩種釬料中貴金屬Au及Pd的含量較高，導(dǎo)致成本增加，對實(shí)際生產(chǎn)缺乏適用性。中國公開號為CN101890591A的發(fā)明專利公開了一種鎳基高溫釬料及其制備方法，能夠解決現(xiàn)有鎳基釬料與C/SiC復(fù)合材料的陶瓷基體的反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致C/SiC復(fù)合材料與鎳基超高溫合金的釬焊接頭力學(xué)性能差的問題。但該釬料制備工藝復(fù)雜、不易操作，無法保證釬料成分的均勻性，影響接頭性能。北京科技大學(xué)范東宇，汪一卉，黃繼華等人研究了C/SiC復(fù)合材料與304不銹鋼釬焊接頭組織與性能，并申請了中國公開號為CN102924109A的發(fā)明專利，公開了一種可用于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料連接方法，方法中提供一種可用于釬焊C/SiC復(fù)合材料的Ti-Zr-Be釬料，但C/SiC復(fù)合材料與不銹鋼釬焊接頭室溫抗剪強(qiáng)度最高為109.3MPa，稍微偏低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種用于Cf/SiC復(fù)合材料與不銹鋼釬焊的釬焊材料及釬焊工藝，該釬料的流動性好，對Cf/SiC復(fù)合材料潤濕性高，且與Cf/SiC復(fù)合材料及不銹鋼的結(jié)合性能佳，抗拉強(qiáng)度高，能夠有效減小陶瓷與金屬連接界面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的用于Cf/SiC復(fù)合材料與不銹鋼釬焊的釬焊材料，按重量百分比各元素組分如下：Zr38％～46％，Ti12％～20％，F(xiàn)e26％～38％，Nb3％～5％，B5％～7％。
作為優(yōu)選，所述Zr的重量百分比為40～44％。
作為優(yōu)選，所述Ti的重量百分比為14～18％。
作為優(yōu)選，所述Fe的重量百分比為30～34％。
作為優(yōu)選，所述Nb的重量百分比為3.5～4.5％。
作為優(yōu)選，所述B的重量百分比為5.5～6.5％。
一種上述的用于Cf/SiC復(fù)合材料與不銹鋼釬焊的釬焊材料進(jìn)行釬焊的工藝，包括如下步驟：
(1)首先按重量百分比將各原料混合后制成釬焊材料，對Cf/SiC復(fù)合材料與不銹鋼表面進(jìn)行處理；
(2)按照Cf/SiC/釬料/不銹鋼的接頭形式制成釬焊試樣，將試樣置于釬焊設(shè)備中，當(dāng)真空度不低于5×10-3Pa時(shí)，以8～12℃/min的速率升溫至250～350℃，保溫15～20min，以5～10℃/min的速率升溫至800～850℃，保溫30～35min，再以5～10℃/min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度920℃～1120℃，根據(jù)試樣大小，保溫10～40min，最后隨爐冷卻至室溫，即可。
作為優(yōu)選，所述步驟(1)中，Zr、Ti粉末顆粒尺寸為：5～15μm，所述Fe、Nb、B粉末顆粒尺寸為：30～45μm。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為該釬料的流動性好，對Cf/SiC復(fù)合材料潤濕性高，且與Cf/SiC復(fù)合材料及不銹鋼的結(jié)合性能佳，抗拉強(qiáng)度高，能夠有效減小陶瓷與金屬連接界面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；其次，該釬料中不包含Ag、Pd等貴金屬元素，在提高焊接性能的基礎(chǔ)上，降低了生產(chǎn)成本；同時(shí)配方中采用粒度不同的金屬顆粒，小顆粒的金屬顆粒能夠填充大顆粒之間的間隙，使釬料更加致密；此外該釬料能夠制成不同的形式，制成的膏狀使用方便，適合在不規(guī)則的、小型的或幾何形狀復(fù)雜的零件上使用，制作成非晶態(tài)成分均勻，制作成金屬布態(tài)柔韌性高，方便用于不同的場合，適用不同形狀的陶瓷零件的釬焊。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
組分含量：Zr42％，Ti16％，F(xiàn)e32％，Nb4％，B6％，其中Zr、Ti粉末顆粒尺寸為：5～15μm，F(xiàn)e、Nb、B粉末顆粒尺寸為：30～45μm。
釬焊材料制作：將各種合金粉末按比例混合均勻，加入有機(jī)結(jié)合劑乙二醇制備成膏狀的釬焊材料。
釬焊工藝：
(1)準(zhǔn)備階段：先對待釬焊的尺寸為20mm×15mm×4mm的Cf/SiC復(fù)合材料與316L不銹鋼表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，待焊材料表面用金剛石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超聲波清洗15min，將膏狀的釬焊材料均勻地涂于Cf/SiC復(fù)合材料與316L不銹鋼被焊表面，制成Cf/SiC/釬料/不銹鋼接頭形式的釬焊試樣；
(2)釬焊連接：將準(zhǔn)備好的試樣放入釬焊夾具中，置于真空度不低于5×10-3Pa的真空釬焊設(shè)備中，首先以12℃/min的速率升溫至250℃，保溫15min，以5℃/min的速率升溫至850℃，保溫35min，再以10℃/min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1020℃，保溫20min，最后隨爐冷卻至室溫，取出試樣即可。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊接頭成形良好，對涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，剪切強(qiáng)度為148MPa。
實(shí)施例2
組分含量：Zr40％，Ti14％，F(xiàn)e36％，Nb5％，B5％，其中Zr、Ti粉末顆粒尺寸為：5～15μm，F(xiàn)e、Nb、B粉末顆粒尺寸為：30～45μm。
釬焊材料制作：將各種合金粉末按比例混合均勻，并加入有機(jī)環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，利用自行研發(fā)的軋機(jī)裝置(申請?zhí)枮?01510819372.1)制備出金屬布狀的釬焊材料。
釬焊工藝：
(1)準(zhǔn)備階段：先對待釬焊的尺寸為20mm×15mm×4mm的Cf/SiC復(fù)合材料與316L不銹鋼表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，待焊材料表面用金剛石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超聲波清洗15min；
(2)裝配步驟：根據(jù)試樣的尺寸裁剪對應(yīng)的金屬布釬焊材料，用釬焊膠將金屬布釬焊材料粘于其中一塊Cf/SiC復(fù)合材料的上表面，再用釬焊膠粘上另一塊316L不銹鋼，置于專門的夾具中；
(3)釬焊連接：將裝配好的試樣整體置于真空度不低于5×10-3Pa的真空釬焊設(shè)備中，首先以12℃/min的速率升溫至350℃，保溫20min，以5℃/min的速率升溫至850℃，保溫35min，再以5℃/min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1050℃，保溫20min，再以最后隨爐冷卻至室溫，取出試樣。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊接頭成形良好，對釬焊接頭的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，剪切強(qiáng)度為152MPa。
實(shí)施例3
組分含量：Zr38％，Ti12％，F(xiàn)e38％，Nb5％，B7％，其中Zr、Ti粉末顆粒尺寸為：5～15μm，F(xiàn)e、Nb、B粉末顆粒尺寸為：30～45μm。
釬焊材料制作：按成分質(zhì)量百分比稱取各種元素，利用高真空單輥甩帶機(jī)制作成非晶態(tài)箔片狀。
釬焊工藝：
(1)準(zhǔn)備階段：先對待釬焊的尺寸為20mm×15mm×4mm的Cf/SiC復(fù)合材料與316L不銹鋼表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，待焊材料表面用金剛石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超聲波清洗15min；
(2)裝配步驟：根據(jù)試樣的尺寸裁剪對應(yīng)的非晶態(tài)釬焊材料，將非晶態(tài)的箔片狀釬料置于兩塊陶瓷中間，置于專門的夾具中；
(3)釬焊連接：將裝配好的試樣整體置于真空度不低于5×10-3Pa的真空釬焊設(shè)備中，首先以8℃/min的速率升溫至250℃，保溫15min，以5℃/min的速率升溫至800℃，保溫30min，再以5℃/min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度990℃，保溫30min，最后隨爐冷卻至室溫，取出試樣。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊接頭成形良好，對釬焊接頭的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，剪切強(qiáng)度為157MPa。
實(shí)施例4
設(shè)計(jì)3組對比例，基本步驟與實(shí)施例3相同，不同之處在于原料含量不同，具體為：
對比例1組分含量：Zr30％，Ti25％，F(xiàn)e38％，B7％；
對比例2的組分含量：Zr50％，F(xiàn)e38％，Nb5％，B7％；
對比例3的組分含量：Zr68％，Ti20％，Nb5％，B7％。
將實(shí)施例1-4制得的焊接接頭進(jìn)行性能檢測，獲得的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1實(shí)施例1-4制得的焊接接頭的性能對照表
由表1可知，實(shí)施例1-3制得的釬焊接頭微觀結(jié)構(gòu)致密，均勻分布，連接界面明顯，接觸角在15.8～17.1°之間，附著力在14.2～15.3N/mm2范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度在148～157MPa之間，由此可知本發(fā)明用于Cf/SiC復(fù)合材料與不銹鋼釬焊的釬焊材料具備良好的附著力和潤濕性能，且釬焊接頭結(jié)合強(qiáng)度高；而對比例1中Ti含量增加，Zr含量減少，Nb含量減為0，Zr元素能夠提高釬料對陶瓷的潤濕性，提高釬焊接頭的高溫強(qiáng)度，Nb元素屬于中間過渡元素，能減小陶瓷與金屬之間的熱膨脹系數(shù)，提高結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)釬料中其含量減為0時(shí)，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的降低，而釬料對母材的接觸角增大，附著力由于Ti元素的存在，變化不大；對比例2中，Zr元素的含量增加，活性元素Ti的含量減為0，同樣會引起類似問題；對比例3中將Fe元素的含量減為0，釬焊接頭剪切強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的降低。
實(shí)施例5
組分含量：Zr42％，Ti20％，F(xiàn)e30％，Nb3％，B5％，Zr、Ti粉末顆粒尺寸為：5～15μm，F(xiàn)e、Nb、B粉末顆粒尺寸為：30～45μm。
釬焊材料制作：按成分質(zhì)量百分比稱取各種元素，利用高真空單輥甩帶機(jī)制作成非晶態(tài)箔片狀。
釬焊工藝：
(1)準(zhǔn)備階段：先對待釬焊的尺寸為20mm×15mm×4mm的Cf/SiC復(fù)合材料與316L不銹鋼表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，待焊材料表面用金剛石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超聲波清洗15min；
(2)裝配步驟：根據(jù)試樣的尺寸裁剪對應(yīng)的非晶態(tài)釬焊材料，將非晶態(tài)的箔片狀釬料置于兩塊陶瓷中間，置于專門的夾具中；
(3)釬焊連接：將裝配好的試樣整體置于真空度不低于5×10-3Pa的真空釬焊設(shè)備中，首先以12℃/min的速率升溫至250℃，保溫15min，以5℃/min的速率升溫至800℃，保溫30min，再以5℃/min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度920℃，保溫30min，最后隨爐冷卻至室溫，取出試樣。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊接頭成形良好，對釬焊接頭的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，剪切強(qiáng)度為142MPa。
實(shí)施例6
組分含量：Zr46％，Ti12％，F(xiàn)e32％，Nb4％，B6％，Zr、Ti粉末顆粒尺寸為：5～15μm，F(xiàn)e、Nb、B粉末顆粒尺寸為：30～45μm。
釬焊材料制作：按成分質(zhì)量百分比稱取各種元素，利用高真空單輥甩帶機(jī)制作成非晶態(tài)箔片狀。
釬焊工藝：
(1)準(zhǔn)備階段：先對待釬焊的尺寸為20mm×15mm×4mm的Cf/SiC復(fù)合材料與316L不銹鋼表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，待焊材料表面用金剛石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超聲波清洗15min；
(2)裝配步驟：根據(jù)試樣的尺寸裁剪對應(yīng)的非晶態(tài)釬焊材料，將非晶態(tài)的箔片狀釬料置于兩塊陶瓷中間，置于專門的夾具中；
(3)釬焊連接：將裝配好的試樣整體置于真空度不低于5×10-3Pa的真空釬焊設(shè)備中，首先以12℃/min的速率升溫至250℃，保溫15min，以5℃/min的速率升溫至800℃，保溫30min，再以10℃/min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度1120℃，保溫30min，最后隨爐冷卻至室溫，取出試樣。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊接頭成形良好，對釬焊接頭的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，剪切強(qiáng)度為139MPa。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。