碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷的扩散焊接技术探究

碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷（Li₂CO₃-Al₂O₃-SiO₂）都是性能优越的高温材料，但二者各有所长：碳/碳复合材料具有密度小（试验用碳/碳复合材料密度为1.65g/cm³），比强度高，高温强度好，抗热震性能好，高温强度可保持率高等特点；LAS玻璃陶瓷具有低热膨胀系数、耐热冲击等优良的热力学性能。但由于LAS玻璃陶瓷的低强度和高脆性，在受到外压的情况下会发生断裂。故将碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷连接起来，就提高了材料的承载能力，降低工件的密度，从而可以成为高温下高承载、低密度的复合结构。但是，它们的润湿性不好，热膨胀系数也有明显差异。

1.中间层材料及其配制

碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷的扩散焊可以采用MAS玻璃和YAST玻璃作为中间层材料。

（1）MAS玻璃配制 采用MAS玻璃（MgO-Al₂O₃-SiO₂）来焊接碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷，MAS玻璃成分（质量分数）为17～20MgO-35～40Al₂O₃-50～55SiO₂，再加5%的Be₂O₃和TiO₃，玻璃配好后，放入刚玉坩埚内，在高温下熔化，淬冷。

（2）YAST玻璃配制 采用YAST玻璃来焊接碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷，其成分（质量分数）为15～23Y₂O₃-20～30Al₂O₃-20～30SiO₂-20～30TiO₂，玻璃配好后，放入刚玉坩埚内，在高温下熔化，淬冷。

2.碳/碳复合材料改性

以Si、C、MoSi₂等混合粉末为渗料，将碳/碳复合材料的被焊面埋入渗料中，在氩气保护下，加热到2300℃进行高温包埋处理，在碳/碳复合材料的被焊表面形成SiC-MoSi₂的复相结构涂层，涂层与碳/碳复合材料的被焊表面形成紧密结合。由于在高温下渗料熔化，Si元素能够渗入碳/碳复合材料的被焊表面附近的空隙内，并与C反应生成SiC而使力学性能和化学性能增强，如图2-19所示。图中可以看出，形成约15μm厚的涂层。

3.焊接工艺

（1）采用MAS玻璃作为中间层材料 将MAS玻璃粉碎，按一定比例溶入无水乙醇溶液制成浆料，涂在改性的碳/碳复合材料的被焊表面，干燥后与LAS玻璃形成搭接接头，放入石墨模具中，在氩气保护下在热压炉中进行焊接。经过正交试验，得出最佳焊接条件为：焊接温度1200℃，焊接压力20MPa，保温时间15min。

（2）采用YAST玻璃作为中间层材料 将YAST玻璃粉碎，按一定比例溶入无水乙醇溶液制成浆料，涂在改性的碳/碳复合材料的被焊表面，干燥后与LAS玻璃形成搭接接头，放入石墨模具中，在氩气保护下在热压炉中进行焊接。选择最佳焊接条件为：焊接温度1150℃～1300℃，焊接压力20MPa，保温时间30min。

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图2-19 SiC-MoSi₂的涂层形貌和元素扫描图谱

4.接头组织和性能

（1）采用MAS玻璃作为中间层材料 在上述最佳工艺条件下，接头的抗剪强度为30MPa。在采用MAS玻璃作为中间层材料连接由SiC-MoSi₂的复相改性的碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷时，不同工艺条件下得到的接头界面的微观结构相似，图2-20给出了接头的显微组织和扫描图谱。从图中可以看出，在SiC-MoSi₂的复相改性的碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷之间仍然存在明显的MAS玻璃中间层，中间层厚度均匀，整个接头结合紧密，没有气孔和裂纹出现。从元素的线扫描图谱可以看出，在LAS玻璃陶瓷母材/MAS玻璃中间层/SiC-MoSi₂之间硅元素的含量相近；镁元素在LAS玻璃陶瓷母材/MAS玻璃中间层界面富集；氧元素通过MAS玻璃中间层/SiC-MoSi₂界面向SiC-MoSi₂扩散。由于这些扩散和集聚，使接头强度得到提高。

图2-20 接头的显微组织和扫描图谱

（2）采用YAST玻璃作为中间层材料 焊接温度对接头抗剪强度的影响如图2-21所示，可以看到，焊接温度为1250℃时接头抗剪强度最高，达到26.2MPa。图2-22给出了接头的显微组织，可以看到，焊接质量良好。不过，随着焊接温度的提高，其中间层厚度从100μm降低到20μm。这是由于随着焊接温度的提高，中间层材料的粘度下降，容易向LAS玻璃陶瓷渗透，形成树根状结构，与LAS玻璃陶瓷的接触面增大，其厚度下降，而接头强度提高；但是焊接温度太高，中间层流动性好，又容易流失，因此接头强度又下降。

图2-21 焊接温度对接头抗剪强度的影响

图2-22 采用YAST玻璃作为中间层材料碳/碳复合材料与LAS玻璃陶瓷的扩散焊接头显微组织