Cf/SiC增强陶瓷基复合材料的钎焊技术优化

C_f/SiC增强复合材料是一种新型的高温结构材料，它在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等吸收能量，即增强了材料的强度和韧性，又保持了SiC陶瓷良好的高温性能。这种复合材料已经成为航空、航天和能源等领域具有潜力的高温结构材料。其连接方法主要是钎焊。C_f/SiC增强复合材料与通常的陶瓷材料不同，它的空隙率高（体积分数16%），且由碳纤维和SiC组成，钎焊接头界面成为陶瓷/钎料、纤维/钎料的结合，因此其润湿行为和连接机理更为复杂。

（1）钎料 采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊C_f/SiC增强陶瓷基复合材料。

（2）钎焊工艺C_f/SiC增强陶瓷基复合材料是采用三维编织方法制成，采用厚度为50μm的Ag-Cu-Ti钎料，母材采用砂布打磨后，同钎料一起在丙酮中进行超声波清洗。

在5.0×10^-3Pa的真空度下，加热速度10℃/min，钎焊温度880℃，保温时间10min，降温速度5℃/min以缓解接头热应力。

（3）接头组织 图3-5为在上述钎焊条件下采用Ag-35.5Cu-1.8Ti钎料钎焊C_f/SiC增强陶瓷基复合材料得到的接头组织及各种合金元素的面分布。图3-5a为接头的纤维组织，可以看到，在钎料与母材的交界处形成了灰色的反应层（图3-5a中‘1’），而钎缝主要为亮白色基体组织以及弥散分布的浅灰色块状组织组成，整体呈现出共晶组织形貌。各元素面分布图表明：钛主要分布在钎缝周围的界面反应区内（图3-5b），钎缝内部基本上没有了钛，为Ag-Cu二元组织特征；Ag主要分布在钎缝的亮白色基体组织中（图3-5c）；而Cu则主要分布在钎缝的浅灰色基体组织中（图3-5d）；C和Si在钎缝中分布不明显（图3-5e、f）。这说明在这种钎焊条件下，Ti的扩散最剧烈，而C和Si扩散缓慢，钎缝基体变为了Ag-Cu二元组织。

图3-5 采用Ag-35.5Cu-1.8Ti钎料钎焊C_f/SiC得到的接头纤维组织及各种合金元素的面分布

采用Ag-27.4Cu-4.4Ti钎料钎焊C_f/SiC增强陶瓷基复合材料得到的接头组织及各种合金元素的面分布在图3-6中给出。可以看到，钎缝组织更均匀（图3-6a）；钎缝基体组织中的浅灰色组织（图3-6a中‘5’）的共晶特征更为明显，钎料与母材的界面基本平直，在界面处形成了灰色的扩散反应层（图3-6a中‘4’）。这些反应说明钛主要富集于反应层。

表3-17为采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊C_f/SiC接头特征区各种元素含量，结合图3-7所示的Ag-27.4Cu-4.4Ti钎料钎焊C_f/SiC的衍射图谱，可以看出，在这种条件下，只形成了TiC反应物。(www.xing528.com)

图3-6 采用Ag-27.4Cu-4.4Ti钎料钎焊C_f/SiC得到的接头纤维组织及各种合金元素的面分布

表3-17 采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊C_f/SiC接头 特征区各种元素含量 （质量分数，%）

图3-7 采用Ag-27.4Cu-4.4Ti钎料钎焊C_f/SiC的X射线衍射图

（4）接头力学性能 采用Ag-35.5Cu-1.8Ti和Ag-27.4Cu-4.4Ti钎料钎焊C_f/SiC的接头三点弯曲强度分别为（111.6～153.4）/132.5和（153.1～165.8）/159.5。后者明显高于前者。这是由于：两种钎料中钛含量相差较大（约2.5倍），这将影响钎料与母材界面的反应程度，当然也就影响到它们之间的结合程度；其次，两种钎料铜和银含量的差异，研究表明，在相同钛含量的情况下，Ag-5Ti钎焊SiC陶瓷时，接头四点弯曲的强度（159～178MPa）远远大于Cu-5Ti钎焊SiC陶瓷的四点弯曲的强度（86MPa），约高出1倍左右。究其原因，是Ag和Cu对Ti的活性具有不同的影响所致：Ti的活性随着Ag含量的增加而提高；Ti的活性随着Cu含量的增加而下降。Ag和Ti之间存在较大的排斥作用，其相互作用参数为32.8kJ/mol；Cu和Ti之间存在强烈的吸引作用，其相互作用参数为-16.14kJ/mol。对于Ti含量相同，而Cu含量不同的Ag-Cu-Ti钎料，随着Cu含量的降低，钎料对于氧化铝陶瓷的润湿角也有降低的趋势。在上面两种Ag-Cu-Ti钎料中，一种钎料中Ti含量高，Cu含量低，当然Ti含量高Cu含量低的钎料（Ag-27.4Cu-4.4Ti）的润湿性就要好于另一种钎料（Ag-35.5Cu-1.8Ti）。当然Ag-27.4Cu-4.4Ti钎料接头的强度就高。再次，Ti含量较高时，Ti的强化效果也高。