基于多机制复合效应的Cf/SiC复合材料与GH3044高温合金连接基础研究

In accordance with the high temperature resistant demand for joining Cf/SiC composite and superalloy, this project presents a multi-mechanism composite-diffusion brazing process to achieve Cf/SiC composite / GH3044 superalloy joint with low internal stress and high temperature tolerance, which is based on reactive composite brazing, transient liquid phase bonding (TLP) and partial transient liquid phase bonding (PTLP). In order to lay a theoretical foundation for process optimization and compatible regulation of the mechanical properties and heat resistance of the joint, this investigation puts stress on two critical fundamental issues, i.e., “interfacial reaction behaviors and mechanism” and “composition homogenization kinetics”. The former involves (Cu-Ti) / C particles liquid / solid reaction and Cf/SiC composite / interlayer interfacial reaction. The latter refers to the diffusion between Ni particles and the metal matrix in the interlayer, and the diffusion between the metal matrix and GH3044 superalloy substrate. .The multi-mechanism composite-diffusion brazing process is a novel joining technology with the characteristic of “low bonding temperature/high applicable temperature”, which combines the advantages of composite brazing, TLP and PTLP. Particularly, the PTLP process involved belongs to a fast kinetics mechanism with large diffusion area and short diffusion distance. The ideas and method of this study will be universally available for joining other ceramics and their composite materials to metals in high temperature applications.

研究内容和意义：针对Cf/SiC复合材料与高温合金耐高温连接需求，提出并研究一种基于反应-复合钎焊、TLP和PTLP复合效应的低应力、耐高温连接方法——“多机制复合扩散钎焊”。着重围绕Cf/SiC复合材料与高温合金多机制复合扩散钎焊所涉及的两个关键基础问题即“连接反应行为及机理”——液相(Cu-Ti)/C反应、复合材料/连接层界面反应行为及机理和“成分均匀化动力学”——连接层金属基体与高温合金母材之间、连接层内Ni颗粒与金属基体之间扩散动力学等开展系统研究，为Cf/SiC复合材料与高温合金多机制复合扩散钎焊接头力学性能与耐热性能的兼容调控奠定理论基础。.特色与创新：多机制复合扩散钎焊是一种新的“低温连接/高温服役”连接方法，兼具复合钎焊、TLP和PTLP的优势，且其中的粉末PTLP过程在动力学上属于大扩散面积、短扩散距离的快速机制，其方法思维对陶瓷类材料与金属的耐高温连接具有普遍意义。

高性能（大推重比、高灵敏度和高可靠性）发动机是我国航天工程和高超音速武器发展面临的挑战和重大需求。研究发展Cf/SiC复合材料与高温合金耐高温连接技术，将Cf/SiC复合材料应用于发动机推力室，可显著提高发动机性能，对我国发动机技术的发展具有重要意义。如何兼容解决连接热应力和接头耐高温问题，实现低应力/耐高温连接，是Cf/SiC复合材料与高温合金连接亟待解决的关键问题。.本项目针对上述连接问题，开展了以(Cu-Ti)+C+Ni混合粉末为连接材料的Cf/SiC复合材料与GH3044高温合金多机制复合扩散钎焊研究。主要研究内容包括：“连接组织行为及机理”——连接层组织行为、界面反应行为及机理和“成分均匀化动力学”——连接层内C颗粒与金属基体之间的反应动力学。通过研究获得了如下重要研究成果（结果）：.（1）提出并成功实现了兼具反应复合钎焊、TLP和PTLP多机制复合效应的低应力/耐高温连接方法（工艺）——多机制复合扩散钎焊。在最优工艺条件下，所得接头具有优异的综合性能：室温剪切强度达209 MPa，900℃高温剪切强度达125 MPa，连接层耐受温度在1064℃以上。.（2）揭示了连接层组织结构演变行为及机理，研究发现，Cf/SiC复合材料与高温合金多机制复合扩散钎焊实际上是连接材料通过自身及其与两母材之间元素的“反应复合+等温扩散”来完成(Cu-Ti)l+Cs+Nis→(Cu,Ni)s+TiCs转变的过程，其中C/Ti反应是该过程的主控环节。.（3）建立了描述连接层内C/Ti反应的同心球单体模型及动力学方程，采用近似解析和计算机求解，获得了C颗粒周围TiC层内外半径r1和r2随连接时间t变化的隐式解和拟合解。在此基础上，提出了连接过程动力学参量——TiC转化率，该参量可以较好地描述连接过程动力学。.本项目提出的Cf/SiC复合材料与高温合金多机制复合扩散钎焊连接方法（工艺）在新一代高性能发动机的研制中具有重要应用价值。研究建立的连接层C/Ti反应同心球动力学模型和相应的动力学表征/分析方法对其它陶瓷及其复合材料与金属的耐高温连接研究具有普遍意义，所获得的动力学方程可以为接头组织与性能的优化调控提供理论依据。