镍基高温合金是当前应用最为广泛的一种高温合金,其使用温度可以达到1000℃以上,是火箭发动机和航空发动机的关键材料。但是随着科学技术的进步,对材料性能的要求越来越高,有被包括碳/碳复合材料在内的新型材料所取代的趋势。但是由于碳/碳复合材料的高脆性和高成本,要想用于实际结构也并不容易,往往需要将两者连接起来,以发挥它们各自的优势。
(1)材料 碳/碳复合材料为二维针刺碳毡增强热解碳基碳/碳复合材料,密度为1.65~1.70g/cm3,镍基合金为GH3128。
中间层材料采用镍、硅粉末化合物,其纯度分别为质量分数99.8%和99.9%,其中硅在中间层混合物中所占的质量分数小于10%。
(2)焊接 试样经过砂布打磨后,用超声波在无水乙醇中清洗20min,烘干。将中间层材料在研钵中研磨30min。
焊接参数为:焊接温度高于1110℃,保温时间45min,真空度小于1×10-2Pa。
(3)接头区的组织和断裂 图2-16给出了碳/碳复合材料与GH3128镍基高温合金的扩散焊接头断口的扫描电镜照片,其中图2-16a为GH3128镍基高温合金一侧的断面,图2-16b图为碳/碳复合材料一侧的断面。图2-16a中不仅有断裂的纤维,还有微小的球状物。这说明断裂发生在靠近碳/碳复合材料一侧。微小的球状物的存在,是由于元素的扩散,降低了界面内合金的熔点,导致熔化的结果。
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图2-16 碳/碳复合材料与GH3128镍基高温合金的扩散焊接头断口的扫描电镜照片
图2-17给出了断口GH3128镍基高温合金一侧的断面的细部,可以看到碳纤维的断裂和拔出。
图2-18给出了剪切力与位移之间的关系,可以看出,接头的断裂可分为四个阶段:第一个阶段,剪切开始阶段,随着剪切力的增大,位移增大;第二阶段,剪切力已经能够使得复合材料的基体沿着材料内部的裂纹或孔洞处发生开裂,增强纤维开始出现脱粘、拔出和断裂,但是接头的断裂强度仍然主要是依靠基体的断裂来体现,因此曲线稳定且稍有下降;第三阶段,基体基本已经断裂,试样的断裂主要是依靠增强相的脱黏、拔出和断裂,其曲线迅速上升;第四阶段,接头断裂,决定于增强相的体积分数和强度。

图2-17 断口GH3128镍基高温合金一侧的断面的细部
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