Cf/SiC复合材料与钛合金复合扩散钎焊动力学与界面反应研究

研究内容和意义：以具有重要应用价值的Cf/SiC复合材料与TC4钛合金耐高温连接为背景，研究一种基于复合钎焊和扩散钎焊（TLP ）复合工艺的低应力、耐高温连接技术- - "复合扩散钎焊"技术。项目中将着重围绕Cf/SiC复合材料与钛合金复合扩散钎焊中所涉及的两个关键基础问题"扩散动力学"- - 连接层与钛合金母材间的扩散传质动力学和"界面反应"- - 连接层与Cf/SiC复合材料间及连接层内金属与陶瓷（TiC）颗粒之间的界面反应等开展系统研究，为Cf/SiC复合材料与TC4钛合金复合扩散钎焊工艺与组织/性能的优化控制奠定理论基础。.特色与创新：复合扩散钎焊是一种新的复合连接工艺，兼有复合钎焊和扩散钎焊的优势，可以在低温、低压连接条件下获得耐高温连接接头，不仅可以实现Cf/SiC复合材料与钛合金的耐高温连接，而且对其它陶瓷及其复合材料与金属的耐高温连接具有普遍意义。

本课题针对Cf/SiC复合材料与TC4钛合金复合-扩散钎焊过程中涉及的动力学及界面问题进行了研究。讨论了连接层中合金元素的扩散行为并建立了连接层合金元素扩散的数学模型；研究了连接材料分别与Cf/SiC复合材料和增强相TiC的界面反应。. 结果表明：工艺参数影响连接层合金元素的扩散行为，基于扩散理论，建立了Cf/SiC复合材料与TC4钛合金复合-扩散钎焊接头连接层合金元素扩散数学模型，获得了连接层降熔元素Cu、Ni元素浓度分布随时间的变化规律；添加TiC增强相降低了合金元素在连接层中的扩散系数，阻碍了连接层合金元素的扩散。. Cf/SiC复合材料侧生成以TiC化合物为主的反应层，随着保温时间的延长和连接温度的升高，该反应层逐渐变得连续且厚度增加；连接层的Cu、Ni元素与TC4钛合金中的Ti元素发生互扩散，形成以Ti(s,s)+Ti2Cu的扩散层。增强相TiC与连接材料发生反应，并随着工艺参数的增强，增强相TiC颗粒逐渐变得细小，分布更加均匀弥散。Cf/SiC复合材料侧的反应层厚度遵循抛物线生长规律，反应层生长动力学参数Q=57.20KJ/mol，k0=4.81μm/s1/2。增强相TiC与连接材料中的Zr元素发生界面反应，并随着工艺参数的增强逐渐变得细小，界面反应过程分为液态钎料润湿包裹TiC、Zr元素扩散及界面反应、界面反应层厚度增加、TiC颗粒分裂形成细小的(Ti,Zr)C颗粒四个阶段。. 对Cf/SiC与TC4钛合金复合扩散钎焊接头进行了力学性能测试，当连接温度一定时，随着增强相含量的增加，接头室温抗剪切强度出现峰值所需的保温时间延长；当增强相含量越低或连接温度越高时，接头高温（800℃）抗剪强度出现峰值所需的保温时间越短；接头的室温、高温（800℃）抗剪强度最高分别为214.9MPa、164.5MPa。. 除此之外，本课题还开展了以添加增强相W颗粒作为连接材料连接Cf/SiC复合材料与TC4钛合金；探索了高热失配Cf/SiC复合材料与304不锈钢的连接；提出了粉末PTLP的连接方法并连接Cf/SiC复合材料和TC4钛合金，均取得了较为满意的研究成果。