cmcs和金属焊接接头设计和残余应力的分析

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1、西北工业大学硕士学位论文CMCs与金属的焊接接头设计与残余应力分析姓名：孙福申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：李京龙20070301摘要陶瓷基复合材料(CMCs)特别是C／C、C／SiC以其优异的高温综合性能，在航空、航天等领域具有广阔的应用前景，并已成为热端部件的首选材料。解决好CMCs与金属的连接是推动CMCs工程应用的关键技术之一。但是，由于CMCs与金属材料在化学成分、物理结构和性能上存在极大的差异，无法采用传统的焊接方法进行连接，其中材料的热失配引起接头的残余应力是影响接头成形的主要因素。因此，进行CMCs一

2、金属接头的结构设计及残余应力分析，并实验研究其焊接成形工艺，对于开发CMCs一金属连接技术具有极其重要的意义。本文选取C／SiC和C／C作为CMCs，选取Nb合金和Ti合金作为金属。采用“厚Cu+薄Ti”复合中间层结构设计的“部分瞬间液相扩散焊”(PTLP—DB)，和直接连接的“熔敷+扩散焊”两种连接方法，从数值模拟和实验验证两方面开展了CMCs与金属的焊接技术研究。设计了平直界面和锯齿型界面两种连接界面结构。利用有限元法对焊后接头残余应力场进行了系统分析。实验结果表明，在“厚Cu+薄Ti”中间层设计中，Ti．Cu反应产生的共晶液

3、相，能够润湿CMCs(C／SiC)表面，并渗入其内部，形成“钉扎结构”，从而表现出很好的焊接性。计算结果表明，随着残留Cu中间层厚度的增加，接头中各方向的残余应力值明显减小，C／SiC一侧的应变能也随之降低，应力缓释效果明显。为了有效地缓解残余应力，残留Cu中间层的厚度需大于0．5mm。实验结果也表明，当残留Cu中间层的厚度大于O．5mm时，可以有效地保证接头焊后的完整性，此时，C／SiC-Nb合金接头的最高剪切强度达到了34．1MPa。当接头设计为CMCs中的C纤维垂直于焊接面时，会降低平行于焊接面方向上的应力值，同时，CMCs

4、一侧的应变能明显减小，有利于接头力学性能的提高。对采用“熔敷+扩散焊”方法得到的2DC／C—Ti合金焊接接头，计算结果表明，与平直界面相比，锯齿型界面能够将大部分残余应力转移到连接界面附近的金属区域内(即强韧性较高的区域)，而使大部分的连接界面及其附近的C／C区域(即强韧性较差的区域)内的残余应力要么明显减小，要么形成易于抑制裂纹产生或扩展的应力场。计算和实验结果同时表明，由于界面结构的复杂化，应变能己不能作为衡量该接头性能的指标。实验结果表明，具有锯齿型界面的试样在熔敷冷却后及连接冷却后，均保持良好的完整性；而平直界面在熔敷后的

5、冷却过程中即开裂失效。随着锯齿高度的增加，接头内部应力集中更为明显，但接头强度由于连接面积的增大反而升高。焊后所得试样的最高压剪强度达到了41．6MPa。关键词：扩散焊，残余应力，C／C，C／SiC，CMCs，有限元西北工业火学工学硕士论文ABSTRACTCeramicMatrixComposites(CMCs)，especiallyC／SiCandC／C，areexpectedtobethealternativeofthermalstructuralmaterials，whichhavebeenfoundpotentialapp

6、licationsinaeronauticalandastronauticalindustriesbecauseoftheiradvancedpropertiessuchaslowdensityandhighperformancesinelevatedtemperatures．ThejoiningofCMCstometalbecomesoneofthekeytechniquesintheapplicationsofCMCs．However,largedifferencesbetweenbothmaterialsexist．They

7、arechemicalcompositions，physicalstructuresmadproperties，amongwhichthethermalexpansionmismatchisoneofthecriticalfactorsinjoiningCMCstometalasitcausessVongresidualstressinthejointthatusuallyleadstofailureofthejointThus，theexperimentalresearchassistedwithresidualstressan

8、alysesprecededwiththestructuraldesignofthelayingsurfacebecomeimportantindevelopmentofCMCs—metaljoiningtechniques．Inthispaper