粉体热压原位生成塑性耐高温梯度中间层连接镍与C/SiC的机理

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
50974008
项目类别：
面上项目
资助金额：
35.0万
负责人：
李树杰
依托单位：
北京航空航天大学
学科分类：
E0413.粉末冶金与粉体工程
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
付春娟；毛样武；范学涛；陈孝飞；王川宝；吴莹莹；刘伟；
关键词：
界面反应动力学金属与陶瓷连接应力缓解粉体热压

项目摘要

镍基高温合金与碳纤维增强碳化硅的连接在航空航天领域具有重要的应用背景。该连接主要涉及两方面的科学问题：界面反应和接头应力缓解。本项目拟通过有限元应力计算，设计多层粉末复合焊料，并采用纳米粉，在热压反应连接过程中焊料原位生成由Ti3SiC2可塑性陶瓷层和以Ti3SiC2和Ni为主要组分的梯度复合材料层共同构成的可塑性耐高温梯度中间层，通过陶瓷层的塑性变形和梯度层的双重作用缓解热应力。通过优选法，获得最佳焊料组成和最佳连接工艺参数。在研究微观结构、界面扩散、界面物相鉴别的基础上，重点研究界面反应动力学。首先设计相关的单一界面体系，通过临界反应层厚度和临界成长时间判断界面反应的控制步骤（扩散或界面化学反应），进而建立相应模型，推导反应动力学方程，并用实验数据进行验证。在此基础上研究非单一界面体系。把应力缓解和界面反应的研究结果与接头性能相联系。为连接技术的提高和发展提供理论和技术支持。

结项摘要

镍基高温合金与碳纤维增强碳化硅基复合材料，例如碳纤维增强碳化硅（C/SiC）和碳纤维增强C-SiC双基复合材料（C/C-SiC），的连接在航空航天领域具有重要的应用背景。该连接主要涉及两方面的科学问题：接头应力缓解和界面反应。本项目首先通过有限元方法对采用各种中间层连接的接头的热应力进行了计算，在此基础上，设计了可原位生成可塑性三元陶瓷Ti3SiC2的功能梯度焊料，采用热压反应连接工艺连接Ni基高温合金与C/C-SiC。.弹性有限元计算结果表明SiC陶瓷与Ni基高温合金直接连接产生的热应力很大，最大轴向拉应力位于陶瓷近缝区。采用功能梯度中间层或软金属中间层均能在一定程度上缓解热应力；硬金属中间层虽然不能缓解热应力，但能改善应力分布状态，使拉应力集中区域迁移出陶瓷；采用软、硬金属复合中间层虽然兼有上述两种效果，但却增加了连接件的界面，有可能导致负面效应。.采用可原位生成可塑性三元陶瓷Ti3SiC2的功能梯度焊料，通过热压反应连接工艺成功实现了Ni基高温合金与C/C-SiC的连接，当连接温度为1200℃、连接压力为21.1KPa，保温时间为1.5h，焊料层厚度为2mm时，接头剪切强度平均值为20.5MPa。微观分析表明，焊料层与两种母材的界面均结合良好，界面区域发生了元素的互扩散，促进了界面结合。接头的断口为混合断口，这也显示了较高的界面结合强度和接头强度。物相分析表明，焊料产物主要包括Ti3SiC2、TiC和SiTi三种物质。而Ti3SiC2的出现则达到了本实验的最初目的，即原位生成Ti3SiC2，并通过其塑性变形缓解接头应力。.通过SiC/Ni-Ti-Si体系、SiC/Co-Si体系、高强石墨/Ni-Nb体系的润湿实验，研究了SiC和高强石墨（用来模拟碳纤维）与相应钎料之间的界面反应；还通过C/C、高强石墨、C/C-SiC以及SiC的连接实验，研究了这些母材与相关连接剂的界面反应；获得了一系列重要结果。到目前为止，本项目获得授权发明专利1项，发表论文10篇，培养博士研究生2名、硕士研究生4名，均已毕业并获得相应学位。本项目尚有相当一部分研究成果尚未来得及发表，将在今后继续发表。本研究成果为Ni基高温合金与C纤维增强SiC基复合材料的连接提供了理论与技术支持，具有重要的科学意义和应用前景。本项目完成了规定的研究内容，达到了预期目标。