Cf_SiC复合材料与Nb-1Zr合金钎焊工艺及机理研究

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1、硕士学位论文Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金钎焊工艺及机理研究BRAZINGPROCESSANDBONDINGMECHANISMFORBRAZINGCf/SiCCOMPOSITEANDNb-1ZrALLOY刘庆永哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TQ404学校代码：10213国际图书分类号：621.791.05密级：公开工学硕士学位论文Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金钎焊工艺及机理研究硕士研究生：刘庆永导师：张杰教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：20

2、15年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TQ404U.D.C:621.791.05DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringBRAZINGPROCESSANDBONDINGMECHANISMFORBRAZINGCf/SiCCOMPOSITEANDNB-1ZRALLOYCandidate：QingyongLiuSupervisor：Prof.ZhangJieAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeinEn

3、gineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要Cf/SiC复合材料以其耐高温、低密度的特性在航空航天领域具有重要的应用，Nb-1Zr合金由于具有良好的耐高温性和塑性加工性成为航天领域的重要候选材

4、料，所以Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金的连接问题亟需解决。本文采用TiCoNb钎料对Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金进行钎焊连接，研究钎料成分、钎料层厚度及钎焊工艺参数对接头组织与性能的影响，探讨接头微观组织与性能的关系，尝试探索碳纤维复合钎料的设计，并从热力学和动力学角度分析接头的形成机理。采用TiCoNb钎料钎焊Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金获得了良好的接头，在钎料与Cf/SiC侧界面生成了TiC+NbC的界面反应层，界面反应层上又附着了由(Ti,Nb)2Co和少量TiSi相共同组成

5、的新的反应层，焊缝中心区域则由Nb(s,s)、TiCo化合物和CoNb4Si化合物共同组成，所以接头的界面结构为：Cf/SiC复合材料/TiC+NbC/(Ti,Nb)2Co+TiSi/TiCo+Nb(s,s)+CoNb4Si/Nb-1Zr合金。研究发现，随着钎料中Nb的含量的增加，钎料熔化更加充分，硅化物含量逐渐增加，引起接头弱化，使剪切强度逐渐降低；当钎料层厚度逐渐增加时，钎料中总的活性元素增多，与陶瓷一侧的界面反应层增厚，焊缝宽度增加，接头强度呈现先增加后减小的趋势。对钎焊工艺参数的研究表明：随着钎焊温度

6、的提高、保温时间的延长，界面反应层厚度增加，渗入母材孔洞和流淌出焊缝的钎料增加，焊缝逐渐变薄，同时在焊缝中形成的脆性相硅化物逐渐增多增大；接头强度先增加后减小。在本文研究范围内，应用TiCoNb钎料钎焊Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金的最佳参数为：钎料成分为Ti45Co45Nb10(at.%)，钎料层厚度为600μm，钎焊温度为1280℃，保温时间为10min。在此工艺参数下得到接头的室温抗剪切强度为242.6MPa，在800℃和1000℃下的抗剪切强度分别为201.7MPa和134.7MPa。熔炼合金

7、法制备的Cf/TiCoNb复合钎料可以实现Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金的连接，但碳纤维和钎料中活性元素Ti、Nb在钎焊过程中大量反应消耗，影响了钎料熔化和界面反应层的形成，使得接头强度明显下降，在保温时间10min，钎焊温度1320℃时，接头强度达到最高的57.2MPa。采用TiCoNb钎料钎焊Cf/SiC复合材料与Nb-1Zr合金的连接机理为：在钎焊温度下，钎料熔化，活性元素Ti、Nb与Cf/SiC发生反应，生成TiC、-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文NbC界面反应层，同时释放Si元素，钎料内

8、的Ti向界面反应层附近扩散过程中与释放的Si元素发生反应，生成少量TiSi相，同时界面层附近富集的Ti、Nb与Co形成(Ti,Nb)2Co相，两种相共同附着在原界面反应层表面，形成了一层新的反应层，反应剩余的Si元素扩散到焊缝中心区域与部分的Co和Nb形成CoNb4Si化合物，剩余的Co与Ti形成TiCo化合物，Nb形成Nb(s,s)，所以焊缝中间层由CoNb4Si化合物、Nb(s,s)和TiCo化