基于原位生长石墨烯制备复合钎料的ZrC-SiC复相陶瓷与TC4钛合金钎焊机理研究

A new method of brazing ZrC-SiC duplex ceramic and TC4 titanium alloy after in-situ growing graphene on composite brazing filler by plasma enhanced chemical vapor deposition was put forward in this project. This method avoids the segregation and floating of graphene during directly mixing together with the composite brazing filler. By this method, gradient transitional of thermal expansion coefficient on ZrC-SiC/brazing seam/TC4 titanium alloy joint can be realized because of the uniform dispersion strengthening of graphene in the composite brazing filler and the affinity between graphene and Ti or Ni. Especially, normalized equation can be derived by analyzing the microcosmic control mechanism of Ti and graphene on the dissolution reaction between liquid brazing alloy and TC4 titanium alloy as well as the active reaction on the ZrC-SiC/liquid brazing alloy interface. ZrC-SiC/TC4 titanium alloy joint with excellent mechanical property can be obtained by controlling the interface reaction and the thickness of active reaction layer with the normalized equation. If this project can be finished successfully, the welding problem between ZrC-SiC duplex ceramic and TC4 titanium alloy can be solved, as well as the innovative thought of welding other ceramics with TC4 titanium alloy can be offered.

本课题提出一种焊前采用等离子体化学气相沉积方法在复合粉末钎料的表面原位生长墨烯，然后再利用该石墨烯增强复合钎料钎焊ZrC-SiC复相陶瓷与TC4钛合金的新方法。该方法不仅避免了在复合钎料中直接混合掺杂石墨烯时带来的石墨烯偏聚、漂浮等问题，而且利用石墨烯在钎料中的均匀弥散强化作用及其与Ti、Ni等元素的亲和性，实现 ZrC-SiC/钎缝/TC4钎焊接头热胀系数的梯度过渡，提高焊后接头强度。特别是，通过分析Ti和石墨烯的行为特征对液态钎料/TC4钛合金界面处的溶解反应及ZrC-SiC陶瓷/液态钎料界面处的活化反应的影响，推导调控接头界面反应的归一化方程，控制接头易断裂活化反应层的微观厚度，从宏观上获得性能优异的钎焊接头。本课题如能顺利完成，不仅可以解决ZrC-SiC复相陶瓷与TC4钛合金的焊接问题，同时为其它陶瓷与钛合金的焊接提供一种创新思路。

本课题开发了一种焊前采用等离子体化学气相沉积方法在Cu-12Zr复合粉末钎料的表面原位生长墨烯，然后再利用该复合钎料钎焊ZrC-SiC复相陶瓷与TC4钛合金的新方法。该方法利用VFG在Cu-12Zr复合粉末钎料表面的生长，为钎缝中TiC的快速生成提供了充足C源，显著提高了TiC的生成速率，进而抑制了界面处Ti3Cu脆性层的生成。当钎焊温度为990℃、保温时间为10min、石墨烯生长时间为60min时，ZrC-SiC/TC4接头的抗剪强度可达86MPa，相比于未生长石墨烯时接头抗剪强度提升48%。特别是，通过分析Ti和石墨烯的行为特征对液态钎料/TC4钛合金界面处的微量溶解反应及ZrC-SiC陶瓷/液态钎料界面处的活化反应的影响，推导出陶瓷侧活化反应层成长动力学方程为W=0.26449t^(1/2)+0.20603。接头残余应力分析结果表明，石墨烯在钎料表面的生长不仅提高了钎缝中 (Ti,Zr)Cu相的占比，同时消除了ZrC-SiC陶瓷侧Ti3Cu脆性层的生成，有利于钎焊接头残余应力的缓解。本课题研究成果，不仅可以解决ZrC-SiC复相陶瓷与TC4钛合金的焊接问题，同时可为其它陶瓷与钛合金的焊接提供一种创新思路。在本项目的资助下，共发表SCI检索学术论文15篇；申报国家发明专利9项、授权发明专利5项；培养博士研究生3名、硕士研究生10名。在此项目执行期间，项目负责人荣获2020年中国有色金属工业科学技术一等奖（排名第2）、2020年中国机械工业科学技术特等奖（排名第7）。