石墨焊接在碳/碳复合材料中的应用研究

1.用锰粉作中间层

其机理是利用金属粉末与碳/碳复合材料反应生成碳化物，然后进一步加热，使碳化物分解，锰被蒸发而石墨化。通常是用锰粉（纯度高于99.9%，粒度小于150μm，即100目），焊接时利用乙醇调制粉末成糊状，然后将锰粉糊均匀地涂在焊件表面上。

焊接过程分两步进行：

第一步，为碳化物形成阶段，即在一定温度和压力下，通过固态扩散及液态渗透作用，使金属粉末与碳/碳复合材料互相作用，生成热稳定性较低的碳化物，直到锰完全形成碳化物而消失。为在这一阶段形成更多的碳化物，不应在真空中进行，以避免锰的蒸发，而应在充氦（纯度99.997%，压力27.5kPa）的条件下进行。

在第一阶段初期，中间层熔化前（1250℃以下），需要保持0.69～5.18MPa的压力，加热速度应低，且应保温一定时间，以便锰元素充分地向母材扩散。在第一阶段中期，即在液相存在的时间内，为了防止液态锰的流失，应使压力为0。

Mn和C在1100～1300℃之间反应生成Mn₇ C₃，

7Mn+（3+x）C＝Mn₇ C₃+xC （2-1）

Mn₇ C₃的稳定性很高，在1333℃时也不分解。

第二步，为石墨化阶段，即将焊件加热到更高的温度、压力（1700℃，0.69～5.18MPa）及真空条件下，碳化物分解为石墨和金属；在温度达到1850～2200℃时，由于金属锰的蒸发，真空度会下降。在温度2200℃保温，会使金属锰完全蒸发，最后在连接处仅剩下石墨。

Mn₇C₃+xC→MnC_（液）+石墨→Mn_（蒸气）+石墨 （2-2）

应当指出的是，必须有足够厚度（约100_μm）的中间层材料才能保证有一个完整的石墨连接层，而焊接参数对其影响并不明显。加热到1246～1700℃可防止锰液的流失。(www.xing528.com)

从上述可以看出，对金属粉末有如下要求：金属粉末要能够与碳/碳复合材料中的碳或石墨发生反应，并形成完整的碳化物连接层；形成的碳化物在之后的高温下发生分解，分解出的金属蒸发，最后形成完整的石墨连接层。

接头质量由石墨层的致密度和完整度所决定，其1200℃时的双缺口抗剪强度（试样如图2-2所示）是0.16～1.16MPa；而1400℃时的双缺口抗剪强度是0.15～0.65MPa。石墨层获得较高的致密度和完整度的方法是：要有足够厚度的中间层（约100μm的锰）；防止液相锰（1246～1700℃）的流失。

图2-2 双缺口抗剪试样

2.用铝粉作中间层

用铝粉作中间层不如锰粉，因为铝的熔点低，容易流失，难以形成完整的碳化物连接层；若用铝粉和石墨粉末的混合物作中间层时，虽然可以形成完整的碳化物（Al₄C₃）连接层，但由于Al₄C₃在高达2500℃仍有很高的稳定性，铝的蒸气压又很低，很难形成完整的石墨连接层。所以必须加热到更高的温度。

3.用镁粉作中间层

镁的碳化物在较低的温度（高于660℃）下就能分解为镁蒸气和石墨，用镁粉作中间层应有利于碳/碳复合材料的焊接。但由于镁极易蒸发和氧化，将阻碍镁的碳化物的形成，因此也难以用镁粉作中间层进行碳/碳复合材料的焊接。

因此还是用锰粉作中间层进行碳/碳复合材料的焊接比用镁和铝可靠。