石英纤维增强氧化硅基复合材料与因瓦合金的胶接辅助真空钎焊

（1）材料

1）石英纤维增强氧化硅基复合材料。陶瓷材料是采用QFSC编织结构的石英纤维增强氧化硅基复合材料。

2）因瓦（Invar）合金。因瓦（Invar）合金为铁-镍合金或铁-镍-钴合金，其能够在很宽温度范围内保持长度不变。

3）活性胶体。活性胶体为由液态改性环氧树脂和作为活性元素源的高纯度TH₂粉（粒度50μm）以体积分数1∶1的比例混合而成，其热解曲线如图3-24所示，可知达到500℃就可以完全热解。其热解残留物主要是碳微粒。

4）钎料。采用厚度100μm的Ag-Cu共晶成分的薄片作为钎料。

（2）钎焊工艺 采用砂布对母材和钎料进行研磨，然后在丙酮中用超声波清洗，用纯酒精风化干燥。将厚度100μm的Ag-Cu共晶成分的薄片作为钎料，以纯Cu作为应力缓冲中间层，装配成QFSC/活性胶/Ag-Cu钎料/Cu/因瓦（Invar）合金在真空炉中进行钎焊：钎焊温度800～950℃，保温时间15min。先以20℃/min的加热速度加热到700℃保温10min，再以10℃/min的加热速度加热到焊接温度；冷却时，以5℃/min的速度降低到室温。

（3）界面组织 图3-25是QFSC与因瓦（Invar）合金的胶接辅助真空钎焊接头的界面组织形貌（焊接条件：焊接温度900℃，保温时间15min）。在加热过程中TH2分解的高纯度钛与环氧树脂热解的碳及石英纤维将发生如下反应：

图3-24 试验用树脂的热解曲线

图3-25 QFSC与因瓦（Invar）合金的胶接辅助真空钎焊接头界面组织（900℃，15min）

在900℃下的反应自由能为(www.xing528.com)

G1=-171.36kJ/mol

2Ti+SiO₂=2TiO+Si （3-5）

在900℃下的反应自由能为

G2=-162.62kJ/mol

从图3-25a中可以看到，接头连接致密。表3-19为界面反应层的分析结果，与图3-25相对应，接头可分为10层，它们的产物主要为Fe₂Ti、Cu固溶体、Ag固溶体、Fe₂Ti、CuTi、CuTi+Cu固溶体、TiC、Si+TiC、Cu固溶体、TiO。在因瓦合金与钎料的界面上反应形成了Fe₂Ti，在带活性胶体的QFSC与钎料的界面上形成了Si+TiC+TiO+Cu固溶体。根据以上分析，在石英纤维增强氧化硅基复合材料与因瓦（Invar）合金的胶接辅助真空钎焊的接头区的组织为QFSC/TiO+Si+TiC+Cu固溶体/CuTi+Cu固溶体+Ag固溶体/Cu固溶体+Ag固溶体+Fe₂Ti/因瓦合金。

表3-19 界面反应层各区元素组成 （原子分数，%）

（4）接头力学性能 图3-26给出了胶接辅助钎焊和镀镍表面改性钎焊QFSC与因瓦合金的接头抗剪强度与钎焊温度的关系曲线。可以看到，胶接辅助钎焊比镀镍表面改性钎焊QFSC与因瓦合金的接头抗剪强度都高，前者的最高强度是在钎焊温度850℃、保温时间15min的条件下，其抗剪强度达到44MPa；后者的最高强度是在钎焊温度830℃、保温时间10min的条件下，其抗剪强度达到29MPa。这可能是由于：活性胶的表面活化作用促进了钎料在活性胶覆盖区QFSC复合材料的润湿和铺展，在QFSC外围形成了金属增强层；活性金属与QFSC的石英纤维发生反应，使得QFSC表面达到牢固的连接；在接头界面上产生的TiO、FeTi、CuTi等化合物和Cu固溶体、Ag固溶体起到缓冲应力作用。

图3-26 胶接辅助钎焊和镀镍表面改性钎焊QFSC与因瓦合金的接头抗剪强度与钎焊温度的关系曲线