[发明专利]一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法

说明书

本发明提供一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊方法，属于异质材料连接技术领域。采用电火花打孔的方式，在复合材料待焊面预先加工一些规则分布的盲孔，将高强度金属丝(W、Mo、Nb等)植入孔内，控制金属丝长度，使其略微凸出复合材料表面；然后对植有金属丝的复合材料与金属进行钎焊连接，以获得一种高强度金属丝穿过复合材料/连接层界面的钎焊接头。所述连接方法可通过金属丝的钉扎和强化作用，使复合材料/连接层界面断裂能显著增加，进而获得高强度复合材料‑金属连接接头；此外，W、Mo、Nb等低热膨胀金属丝的植入，有助于降低接头残余热应力，改变应力分布状态，减小临近界面复合材料外表面的应力集中，进一步提高接头强度及可靠性。

技术领域

本发明属于陶瓷及陶瓷基复合材料与金属连接技术领域，特别是提供一种通过向“复合材料/连接层”连接界面植入高强度贯穿金属丝，借助金属丝的钉扎和强化作用，显著提高接头强度及可靠性的连接方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(C/C、C/SiC)是一种当前极具竞争力的极端环境热结构材料，具有低密度、低热膨胀系数、高温下高强高模、良好的断裂韧性和耐磨/抗冲刷等一系列优异的性能，是制造燃烧器部件、涡轮叶片、火箭喷管和航天热防护结构等的理想材料，在航空航天领域具有重要的应用价值。然而，很多实际应用需要解决C/C及C/SiC与金属的连接问题。该类连接问题难度大、对接头性能及可靠性要求高，主要表现在：1)C/C及C/SiC复合材料与金属之间热膨胀系数差异(热失配)较大，连接往往形成较大的残余热应力；2)C/C及C/SiC复合材料与金属的连接接头通常在极端环境(高温、高压、高速震动等)下工作，因此对接头的性能及可靠性要求十分严格。开发C/C及C/SiC复合材料与金属的高强、高可靠连接技术对我国航空航天技术的发展具有重要意义。

目前，关于C/C及C/SiC复合材料与金属连接，已有的方法主要包括粘接、扩散连接和钎焊类连接。钎焊类连接工艺方便、结构适应性强，是C/C及C/SiC复合材料与金属连接最常用的方法。然而传统钎焊存在接头强度低、接头可靠性差的问题，难以满足实际应用的要求。如何提高复合材料-金属钎焊接头强度及可靠性，一直是国内外在相关领域研究的重点问题，受到了越来越多的关注。已有研究表明，除了较大的连接热应力外，较低的“复合材料/连接层”界面结合强度是导致接头强度低及可靠性差的最直接原因。如何提高“复合材料/连接层”界面结合强度是解决C/C及C/SiC复合材料与金属钎焊连接问题的关键。

已公开的方法中，王等人采用机械加工的方式对C/C复合材料表面进行打孔，然后对打孔的C/C复合材料与TiAl合金进行钎焊连接。结果表明，与不打孔接头相比，打孔接头强度得到显著提高[Wang H Q,et al.Scr.Mater.,2010；63:859-62]。郭等人采用激光蚀刻的方式在C/C复合材料表面加工三角形凹槽，然后对开槽的C/C复合材料与Rene N5合金进行钎焊连接。结果表明，带槽接头的剪切强度比无槽接头的剪切强度高1.65倍[Guo W,etal.Ceram.Int.2015,41:11605-10]。以上研究主要是采用机械钻孔、激光蚀刻等方式，在复合材料表面钻孔或开槽，通过增加复合材料与连接层之间界面的结合面积来提高接头强度。

发明内容

本发明的目的是要解决C/C及C/SiC复合材料与金属钎焊连接存在的接头强度低、接头可靠性差的问题。本发明提供一种通过向“复合材料/连接层”连接界面植入高强度贯穿金属丝，借助金属丝的钉扎和强化作用，显著提高接头强度及可靠性的“植丝增强钎焊”连接方法。

一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，其特征在于，采用电火花打孔的方式，在复合材料待焊面预先加工一些规则分布的盲孔，将高强度金属丝植入孔内，控制金属丝长度，使其略微凸出复合材料表面；然后对表面植丝的复合材料与金属进行钎焊连接，以获得一种高强度金属丝穿过复合材料/连接层界面的连接接头；所述连接方法可通过金属丝的钉扎和强化作用，使复合材料/连接层界面断裂能显著增加，进而提高接头强度及可靠性，所述金属丝包括Mo、Nb、W等。