资源描述：
《陶瓷基复合材料与金属连接的研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、陶瓷基复合材料与金属连接的研究进展摘要 陶瓷基复合材料是一种新兴的热结构材料,解决其自身及其与金属的连接工艺,是实现其推广应用的重要课题之一。首先分析了陶瓷基复合材料自身连接及其与金属连接的难点,在此基础上从解决被连接材料的化学相容性与物理匹配性两方面出发,综述了陶瓷基复合材料自身及其与金属连接的研究进展,并介绍了几种典型的连接实例———活性金属钎焊、部分瞬间液相扩散连接以及宏观结构梯度中间层设计。关键词: 陶瓷基复合材料 化学相容性 物理匹配性 连接0 前 言陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposites,以下简称CMCs)作为一种新兴的热结构
2、材料,具有密度低、耐高温、抗氧化、热强度保持率高以及断裂韧性高等优点,在未来的高推重比航空发动机、卫星姿控发动机、超高声速冲压发动机、巡航导弹发动机、液体和固体火箭发动机等武器装备领域具有广阔的推广应用前景[1],在涡轮燃气电站和核能反应堆等民用领域的市场潜力更大[2,3]。由德国工业设备公司(IABG)生产的C/SiC复合材料已经应用在光学领域(镜子和反射镜)、燃烧室、热交换机、高性能车辆刹车盘、化学工业和国防领域[4]。连接是CMCs走向工程应用需要解决的关键技术之一。一方面,CMCs复杂精密构件的低成本制造,需要实现CMCs之间的连接;另一方面,构件各部分不
3、同的功能,需要实现其与金属之间的连接。连接的目标是实现接头的高温使用,因此连接的金属对象为Nb合金[5～7]、Ti合金[8～11]、Ni基高温合金[12,13]等难熔金属材料。由于CMCs继承了陶瓷的化学性能以及高硬度、高模量(如C/SiC)和低线膨胀系数(如SiC/SiC、C/SiC)等物理性能,即:CMCs-金属连接与陶瓷-金属连接在材料组配上有许多相似之处,两类接头的实现面临着一些基本的共性问题,这些问题在本质上可以归纳为两个方面:化学相容性与物理匹配性。前者是指被连接材料能够在连接界面上比较容易地(比较低的连接温度、压力)形成新的、较强的化学键,即形成连接
4、;而后者是指被连接材料的热膨胀系数、模量等能够在连接界面附近区域形成较好的匹配,即尽量减小因热失配而造成的热应力,避免连接的破坏。目前国内外对于陶瓷材料的连接方法已经有了相当广泛的研究,但有关CMCs的连接,尤其是CMCs-金属连接研究报导相对较少,主要是由于该材料属于新发展的材料,工程化应用才刚刚开始。论文在分析了CMCs自身及其与金属连接的难点基础上,从解决CMCs连接性与物理匹配性两方面出发,综述了国内外对CMCs连接技术的最新进展,着重对连接方法、机理及其应用进行了介绍。1 CMCs连接的难点研究表明,要实现CMCs自身及其与金属的可靠连接,应解决以下几个
5、问题:①在连接温度下,连接材料(CMCs)与被连接材料(CMCs或金属)可产生化学反应,从而在两材料界面上形成较强的化学键;②由于界面反应的产物一般为硬脆相,且较厚的硬脆相产物层会明显降低接头的连接强度,所以,应尽可能控制产物层厚度;③由于制备工艺的原因,CMCs内部及连接表面会存在一定量孔隙,因此,需要连接材料在连接温度下熔化,或在连接前为浆料等流体形式,以便能够填充被连接表面的开放孔隙,从而形成致密、连续的连接界面,否则,连接界面将出现孔隙,这些残留在界面的孔隙不仅会减小连接面积,而且易导致应力集中和成为裂纹源,从而削弱连接强度;④由于CMCs本体与CMCs-
6、金属接头需要面对高温甚至超高温工作环境,所以,必须采用熔点较高的连接材料,这样必然使得连接温度升高,而高的连接温度不仅容易引起CMCs力学性能的损伤,还在降温过程中增大接头的热应力,所有这些因素均会对接头质量产生明显的不利影响;⑤由于CMCs内部纤维预制体的存在,CMCs的力学及物理性能具有明显的各向异性,使得CMCs-金属接头较陶瓷-金属接头具有更为复杂的残余热应力分布,进而给残余热应力的控制与缓解增加了难度。这5项要求从本质上讲,还是要解决化学相容性与物理匹配性的问题。因此,只有当这5项要求全部满足时,接头才会具有较高的连接强度与较好的工程价值。2 CMCs连
7、接的主要方法只有使连接材料有效地填充CMCs表面及其内部孔隙,并在连接界面上比较容易地(比较低的连接温度、压力)形成新的、键强较高的化学键,才能形成良好的连接。传统的冶金连接机理无法实现CMCs本体连接及CMCs-金属连接,这是由于SiC及C液相难以获得,因而采用传统的焊接方法(如熔焊)不具有现实意义。从已公布的文献可知,目前已发现连接CMCs本体及其CMCs-金属机理有:物理连接机理(分子力)[12,13]、机械连接机理(钉扎结构)[6,7,14]、化学反应连接机理[5～7,15,16],并且是多种机理共同实现连接性,相应的连接方法主要采用固相扩散焊、液相法、先
8、驱体法、反
