碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接方法及连接头

本发明涉及复合材料和金属连接，具体为一种碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接方法及连接头。

背景技术：

1、碳/碳复合材料是新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料。它具有一系列优异性能，包括低密度、高比强以及高温力学性能优异等。在航空航天领域，该材料得到了广泛应用，被认为是最有发展前途的高温材料之一。然而碳/碳复合材料因制备周期长、成本高以及难以制备大尺寸构件使其应用受到限制。因此，为弥补这些不足，通常将其与金属相连接，来降低成本，同时实现结构与性能上的取长补短，其中，具有良好机械性能与高温性能的镍基高温合金受到广泛关注，通常使用钎焊技术实现碳/碳复合材料与镍基高温合金的连接。但是，碳/碳复合材料和镍基高温合金的接头处常因存在缺陷而产生连接强度不足的问题，这主要是由于碳材料与镍基合金材料的热膨胀系数不匹配，经历较大的温度变化后，异质界面处会产生较强残余热应力，诱导裂纹的萌生和快速扩展，最终接头断裂失效。

2、目前，缓解碳/碳复合材料与金属连接后接头内部残余应力的方法主要有钎料改性法，即在钎料中加入热膨胀系数较低的元素，对碳/碳复合材料进行表面改性，通过对待焊面进行物理化学处理，使母材和钎料形成梯度过渡层以及在接头内部引入金属夹层，通过延性夹层的高塑性特性缓解应力。

3、文献“deng j,zheng b,fan s,et al.influence of thermal shock andenvironment temperature on mechanical properties of c/sic/gh783 joint brazedwith cu-ti+mo[j].advanced composites and hybrid materials,2018,1:199-205.”通过在钎料中混合热膨胀系数较低的mo粉，形成致密无裂纹的中间层，降低金属钎料的热膨胀系数，缓解热失配问题。但加入的mo颗粒会在碳/碳复合材料侧大量堆积，造成接头内部不同硬度的相出现分布偏聚的情况，冷却过程中易出现应力分布不均匀的情况，促进裂纹的产生。整体接头的高温抗弯曲能力较差，在高温较大应力的作用下近碳/碳复合材料侧的反应层处的裂纹易发生扩展，抗弯强度随着环境温度的升高而急剧下降。

4、文献“hou z,wang w,niu d,et al.molybdenum-fiber strengthened brazingof carbon/carbon composite and nickel-based superalloy[j].materials&design,2022,222:111101.”在碳/碳复合材料表面进行机械打孔，插入mo纤维，使用镍基钎料将碳/碳复合材料和镍基高温合金进行连接，在碳/碳复合材料衬底与钎焊层之间的界面上，获得了一个坚固的mo纤维连接。最大抗剪强度达到60mpa，但此种方法对碳/碳复合材料进行了机械破坏，易在纤维连接处产生裂纹，且不适用于大尺寸构件的连接。

5、文献“qin y,feng j.active brazing carbon/carbon composite to tc4 withcu and mo composite interlayers[j].materials science and engineering:a,2009,525(1-2):181-185.”通过在碳/碳复合材料和钛合金之间引入塑性较强的cu箔和热膨胀系数较小的mo箔，形成多层连接层的结构，最大抗剪强度达到21mpa。但此种方法因箔层的引入导致中间层物相分布较为偏聚，应力分布不均匀，从而产生裂纹，抗剪切能力较弱。

6、文献“wang z y,li m n,ba j,et al.in-situ synthesized tic nano-flakesreinforced c/c composite-nb brazed joint[j].journal of the european ceramicsociety,2018,38(4):1059-1068.”在接头内部引入高塑性多孔泡沫铜材料，通过聚合物碳化法对其表面包覆，保护多孔组织在钎焊时发生骨架溶解，钎焊接头的平均抗剪强度可达52.8mpa。虽然该方法对泡沫铜进行改性，避免了其被钎料反应侵蚀，但聚合物碳化的改性方法所制备的碳壳裂纹较多且在高温下易发生分解，制备的接头难以完成在高温下服役的任务。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的碳/碳复合材料和异种金属连接性能差，易失效的问题，本发明提供一种碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接方法及连接头。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接方法，包括：

4、对泡沫钼镍进行前处理，得到备用泡沫钼镍；

5、对备用泡沫钼镍进行热解碳改性，得到热解碳改性泡沫钼镍；

6、对待焊接镍基高温合金的连接面和碳/碳复合材料连接面，进行表面处理；

7、将镍基钎料与ti粉混合，加入粘结剂，得到钎料浆料；

8、在处理后的待焊接镍基高温合金连接面和碳/碳复合材料连接面分别涂刷钎料料浆，并将热解碳改性泡沫钼镍置于碳/碳复合材料连接面和涂有钎料料浆的待焊接镍基高温合金连接面之间，压实，形成三明治状结构；

9、将三明治状结构升温钎焊，完成碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接。

10、进一步地，对泡沫钼镍进行前处理，得到备用泡沫钼镍的方法为：

11、将泡沫钼镍在丙酮中超声清洗20～25min；

12、将在丙酮中超声清洗后的泡沫钼镍在无水乙醇中超声清洗20～25min，去除表面残留的丙酮；

13、将去除丙酮残留后的泡沫钼镍，烘干，封存，得到备用泡沫钼镍。

14、进一步地，对备用泡沫钼镍进行热解碳改性，得到热解碳改性泡沫钼镍的方法为：

15、将备用泡沫钼镍置于石墨模具中，在惰性气氛保护下，通入甲烷，进行化学气相沉积，得到热解碳改性泡沫钼镍。

16、进一步地，所述惰性气体为氩气，甲烷与惰性气体的气流量比为(1～4):(4～10)。

17、进一步地，化学气相沉积过程中，升温速率为5℃/min～6℃/min，温度为1000℃～1100℃，沉积时间为30～60min。

18、进一步地，对待焊接镍基高温合金的连接面和碳/碳复合材料连接面，进行表面处理的方法为：

19、使用180目和600目的砂纸依次对镍基高温合金的连接面进行打磨，去除表面氧化皮和腐蚀层；

20、使用600目的碳化硅砂纸对碳/碳复合材料连接面进行打磨，保证碳/碳复合材料连接面的表面粗平整度和粗糙度一致；

21、将表面处理后的碳/碳复合材料和焊接镍基高温合金在无水乙醇中超声清洗，去除表面金属粉末或碳粉，干燥，完成表面处理。

22、进一步地，镍基钎料与ti粉的质量比为(99～95):(1～5)。

23、进一步地，所述粘结剂为凡士林和液体石蜡按质量比为1:1的混合物。

24、进一步地，将三明治状结构升温钎焊的方法为：

25、以升温速率为10℃/min～11℃/min升温至900℃～1200℃，保温10～30min，再以3℃/min～4℃/min降温至600℃，完成碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接。

26、本发明还提供一种连接头，利用上述碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接方法制备。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、本发明一种碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接方法，该方法通过对泡沫钼镍进行前处理，得到备用泡沫钼镍；对备用泡沫钼镍进行热解碳改性，得到热解碳改性泡沫钼镍；对待焊接镍基高温合金的连接面和碳/碳复合材料连接面，进行表面处理；将镍基钎料与ti粉混合，加入粘结剂，得到钎料浆料；在处理后的待焊接镍基高温合金连接面涂刷钎料料浆，并将热解碳改性泡沫钼镍置于碳/碳复合材料连接面和涂有钎料料浆的待焊接镍基高温合金连接面之间，压实，形成三明治状结构；将三明治状结构升温钎焊，完成碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接。该方法以泡沫钼镍为金属骨架，通过在泡沫钼镍表面沉积热解碳层，由于高纯度碳层与金属元素的反应活性较低，利用该惰性碳层可以保护多孔泡沫骨架的结构完整性，使泡沫钼镍发挥其自身高塑性特性，使接头内部的塑性反应层厚度提高，骨架的加入调控钎料中易偏聚元素的分布，使得剩余元素充分反应，两种塑性相富cr-ni(s,s)和富si-ni(s,s)的存在分布趋于均匀。因泡沫骨架自身的多孔结构使得钎料在高温下能充分流动，浸润骨架内部，在冷却过程中，该结构对各组分因热膨胀系数不同引起的不同程度的收缩起到缓冲作用，形成良好的热膨胀梯度过渡层，对金属母材、钎料层和碳/碳复合材料三种组分不同的收缩起到缓冲作用，同时对中间层内部化合物分布进行调控，从而提升钎焊连接的稳定性和焊接质量。钎料中加入ti粉，ti与c的反应活化能较高，会在近碳/碳层形成化学反应结合层，在cr-c反应层的基础上加固碳/碳复合材料和钎料的结合，解决碳/碳复合材料和钎料结合性差的问题，同时增加钎料与母材的润湿性，ti粉的加入使得钎料与母材的润湿角由26.7°变为15.9°，同时，该改性钎料的流动性较强，降低了接头中微裂纹和气孔产生的可能性。ti元素与泡沫钼镍表面热解碳的缺陷处发生反应，形成tic小颗粒，对接头中部物相形成层进行细晶强化，提高整体强度，ti粉的加入，接头强度达到40.84mpa。相较于未加入泡沫骨架的接头提升了163％，相较于引入未改性夹层提升了64％，从而进一步提升钎焊连接强度，保障钎焊连接质量。

29、在对备用泡沫钼镍进行热解碳改性时，采用甲烷作为碳源，在氩气气氛的保护下，达到合适的沉积温度，经一定沉积时间，使甲烷高温裂解，在泡沫金属表面合成热解碳片层堆积成的涂层，在保护骨架的同时具有较高的热稳定性。热解碳层的缺陷较少，与金属的反应活性较低，使得改性泡沫金属的整体结构能在钎料层内部完整存在。具体为：以甲烷为碳源，在氩气保护下，沉积过程没有氧元素的参与，泡沫金属骨架在沉积完成后的结构完整，在适当的工艺参数下沉积的热解碳层表面无裂纹的存在，包覆层完整，拉曼测试显示d峰与g峰的比值约为0.044，证明其石墨化度较高，具有低缺陷率和良好机械性能。当温度达到钎焊温度时，钎料中的金属元素与热解碳层的反应活性较低，既起到了避免高温下金属骨架和钎料发生强烈扩散作用，也能在较少消耗与母材形成化学结合所需的金属元素的同时保持自身化学稳定性。

30、本发明还提供一种连接头，利用上述碳/碳复合材料与镍基高温合金钎焊连接方法制备。该连接头具有更高的焊接强度，适用于大尺寸构件的连接，且不会发生高温分解失效，可更好的满足高温下服役的需求。