焊件生成碳化物的焊接方式对碳/碳复合材料的影响

1.使用中间层材料生成TiC来焊接碳/碳复合材料

（1）用钛粉或钛箔作为中间层

1）焊接性。这种方法的基本原理是通过利用钛粉（75μm的粒度）或钛箔（厚200μm）作为中间层材料，发生如下反应：

Ti+C＝TiC （2-3）

这种方法可以在无压力的条件下，形成在高温下稳定的TiC。因此这种方法可以焊接尺寸大、形状较复杂的工件。

2）焊接参数。用氩作保护气体，焊接温度一般为1400℃，保温时间45min和90min，以45min为好。温度太高，钛会蒸发损失；温度太低，反应不充分，效果不佳，焊接温度不能低于钛的熔点。焊接三维（3D）碳/碳复合材料时，用钛粉作为中间层、母材试样未经磨光也可以得到很好的结果；而采用钛箔作为中间层时，碳/碳复合材料母材无论是否经过磨光，都不能得到完好的接头，只有部分的结合。以钛片作为中间层时，必须加压，但是加压不能太高，即不能使钛片变形，否则，使得钛片与碳/碳复合材料发生局部接触；不加压也不行，这样难以获得无缺陷连接层，甚至于无法实现焊接。焊接温度低于钛的熔点时，由于钛箔变形而只能与碳/碳复合材料母材有部分接触，也不能得到完好的接头，只有部分的结合。焊接温度必须高于钛的熔点。可以预计使用热压技术可获得较好的结果。

如果使用热压技术就可以改善钛片与碳/碳复合材料的接触，有利于发生化学反应，形成TiC，而实现焊接。

（2）使用B₄C+Ti+Si混合粉末为中间层材料

1）焊接性。这种方法通常使用由金属、碳化物和硼化物混合而成的中间层材料，在一定压力和较高温度下发生烧结反应，形成高熔点、高强度的烧结产物。

通常使用的中间层材料为B₄C+Ti+Si混合粉末。其焊接步骤如下：

首先，焊接时利用乙醇调制B₄C+Ti+Si混合粉末成糊状，然后将混合粉末糊均匀地涂在焊件表面上，最后在真空石墨炉中加热、加压。焊接过程中应保持3.5MPa的压力。为防止加热过快，反应不充分而形成液相，应采取阶梯式加热程序。在焊接过程中，混合粉末将发生如下反应：

2Ti+Si+（1+x）B₄C＝2TiB₂+SiC+xB₄C （2-4）

此外，还会发生如下反应：

Ti+C＝TiC （2-5）

焊接结束后，中间层内为SiC+TiC+TiB₂，以及剩下的B₄C。

2）焊接参数

①混合粉末的成分。混合粉末Ti∶Si∶B₄C之比为2∶1∶1时，接头的强度最大。TiB₂、SiC和TiC都是强度很高的难熔相（熔点分别为3225℃，2545℃及3067℃）。但是，随着B₄C的过剩，接头的强度降低，如图2-3所示。

②最高焊接温度T_max。图2-4给出了T_max对1200℃下接头抗剪强度的影响，可以看到，T_max=2000℃时，接头的强度最大。

图2-3 过量B₄C对接头强度的影响

图2-4 T_max对1200℃下接头抗剪强度的影响

③焊接接头的强度。图2-5给出了二维碳/碳复合材料焊接（焊接条件：焊接温度2000℃，保温15min，压力3.45MPa）双缺口接头的抗剪强度，接头的抗剪强度随着温度的提高而增大，从室温的8.99MPa提高到2000℃时的14.51MPa。

2.利用钨粉和碳粉作为中间层形成碳化钨来连接碳/碳复合材料

将钨粉和碳粉在溶剂中混合，涂到碳/碳复合材料表面，然后在1450～1580℃下进行压力烧结来制造连接件。钨粉和碳粉在这种条件下发生反应生成碳化钨中间层，并扩散到碳/碳复合材料内，形成接头。在1620℃时接头的抗剪强度为19.20MPa。单独采用钨粉，使其与碳/碳复合材料中的碳反应形成碳化钨中间层，也是能够做得到的。

图2-5 温度对二维碳/碳复合材料焊接双缺口接头的抗剪强度的影响

（焊接条件：焊接温度2000℃，保温15min，压力3.45MPa）

3.在两个被焊焊件之间生成B₄C来焊接碳/碳复合材料(www.xing528.com)

（1）利用硼和石墨混合粉作为中间层材料 利用硼和石墨混合粉作为中间层材料，在温度1995℃和压力7.38MPa下对碳/碳复合材料进行扩散焊接。研究发现，中间层内的硼和石墨发生反应形成了B₄C，界面层的主要成分是B₄C和少量的C。其接头可用于高温环境中，其焊接工件在1660℃时的最大抗剪强度为21.57MPa。单独采用硼粉，使其与碳/碳复合材料中的碳反应形成B₄C中间层，也是能够做得到的。

（2）使用B和B+C两种材料作为中间层

1）焊接性。这种方法的基本原理是通过B与C在高温下反应生成硼的碳化物B₄C，以达到焊接碳/碳复合材料的目的。由B-C二元相图可知，B₄C是唯一的硼的碳化物。因此，在焊接过程中，硼中间层与碳/碳复合材料中的碳将发生如下反应：

4B+C＝ B₄C （2-6）

使用的中间层主要有B和B+C两种，焊接温度应在硼的熔点以下，压力在3～8MPa。

2）焊接参数

①焊接温度。焊接温度应低于中间层的熔化温度，最佳温度约为1995℃。这是由于焊接温度低时，反应不充分，存在未反应的硼；焊接温度高时，硼会发生蒸发损失（硼在1995℃、2100℃、2190℃时的蒸气压分别为0.65Pa、2.6Pa、6.5Pa）。图2-6为用B和B+C为中间层对三维（3D）进行扩散焊时，碳/碳复合材料焊接接头在1575℃下双缺口的抗剪强度。

②中间层成分。在最佳温度附近（1995℃）焊接时，用B为中间层的焊接接头强度比用B+C为中间层的焊接接头强度高；而在更高的温度（高于2070℃）附近焊接时，用B+C为中间层的焊接接头强度比用B为中间层的焊接接头强度高。

③保护气体。以氦气作保护气体。

④压力。提高压力可提高中间层反应物的致密度，从而提高接头强度。但是压力太大会损害复合材料的性能，从而降低接头强度。当用B为中间层在1995℃焊接碳/碳复合材料时，压力由3.10MPa提高到7.38MPa，接头在1575℃下的抗剪强度由6.94MPa提高到9.70MPa。

工作温度对用B为中间层（焊接条件：焊接温度1995℃，保温15min，压力7.38MPa）焊接碳/碳复合材料的抗剪强度也有重要的影响，如图2-7所示。

图2-6 用B和B+C为中间层对三维（3D）扩散焊碳/碳复合材料焊接接头在1575℃下双缺口的抗剪强度

图2-7 工作温度对用B为中间层（焊接条件：焊接温度1995℃，保温15min，压力7.38MPa）焊接碳/碳复合材料的抗剪强度的影响

4.用硅化物作为中间层形成SiC来焊接碳/碳复合材料

（1）用TiSi₂作为中间层来焊接碳/碳复合材料 一般利用纯度为99.4%的粉状TiSi₂作为中间层材料，用乙醇调制成糊状，然后将糊均匀地涂在焊件表面上。焊接时，在一定的压力下，升温至1310℃，将压力降到0，再升温至1480℃以上，中间层材料全部熔化后，保温2～15min；然后，冷却到1310℃，液相完全消失后，继续加压0.69MPa，一直冷却到室温。这实际上是利用“扩散焊+钎焊+扩散焊”的复合工艺。焊接过程中，在中间层与工件界面上，将发生如下反应：

TiSi₂+3C＝TiC+2SiC （2-7）

而TiSi₂中间层只是经历了熔化+结晶的过程。最佳焊接峰值温度为1490℃。图2-8为焊接接头双缺口抗剪强度与试验温度之间的关系。图2-9为碳/碳复合材料焊接接头的拉伸剪切试样。

（2）用Mg₂Si作为中间层 用Mg₂Si作为中间层时应当在高于Mg₂Si的熔点1085℃的情况下进行焊接，在氩气保护下，采用1420℃、保温45min及1200℃、保温90min两种条件进行扩散焊，在接头中都会出现孔洞，但是后者较少，其抗剪强度为5MPa。接头出现孔洞是由于蒸发所造成的。

（3）用硅作为中间层 采用750μm厚的硅片作为中间层，在氩气保护下，1420℃保温45min，得到的接头在室温下的抗剪强度为22MPa。

图2-8 用TiSi₂作为中间层材料焊接碳/碳复合材料接头双缺口抗剪强度与试验温度之间的关系

图2-9 碳/碳复合材料焊接接头的拉伸剪切试样

a—拉伸剪切试样长度 δ—复合材料厚度 b—接头宽度 F—负载拉力

5.用形成Al₄C₃来焊接碳/碳复合材料

采用750μm厚的铝箔作为中间层，在氩气保护下，1000℃保温45min，得到的接头在室温下的抗剪强度为10MPa。这种接头不易在高温下使用。