專(zhuān)利名稱(chēng)：碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料與高溫合金的連接方法，具體是碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金 的連接方法。
背景技術(shù)：
c/c復(fù)合材料作為一種新型的熱結(jié)構(gòu)材料，巳被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等高科技領(lǐng) 域，它是唯一可用于280(TC以上的熱結(jié)構(gòu)材料。但由于C/C復(fù)合材料自身的脆性及生產(chǎn)成本 等問(wèn)題，C/C復(fù)合材料在很多場(chǎng)合都需要與Nb、 TC4合金等金屬連接，以便發(fā)揮各自的優(yōu)異 性能，同時(shí)也可以滿足快速、安全、簡(jiǎn)易及價(jià)格低廉的設(shè)計(jì)需要。GH3128鎳基高溫合金是 目前在航空領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種高溫合金，它除了可以制造渦輪葉片以外，還可以制造 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和航天飛行器前緣支撐件等零部件，其使用溫度一般在95(TC左右。
C/C復(fù)合材料與GH3128鎳基高溫合金連接的難度大，至今尚未見(jiàn)到有成功連接的實(shí)例。 首先，C/C復(fù)合材料與GH3128鎳基高溫合金不潤(rùn)濕，其次，二者的熱膨脹系數(shù)差異也很大， 例如在100(TC左右，GH3128鎳基高溫合金的熱膨脹系數(shù)約為16.29xlO—6/K，而二維C/C的 熱膨脹系數(shù)則僅為2.0xlO'6/K。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金難于連接的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種碳/碳復(fù)合 材料與鎳基高溫合金的連接方法，即采用Ni-Si混合粉體做中間層，利用固相擴(kuò)散法對(duì)碳/碳 復(fù)合材料與鎳基高溫合金進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接，且接頭
剪切強(qiáng)度較高。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案 一種碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接
方法，其特點(diǎn)是包括下述步驟
(a) 用無(wú)水乙醇清洗碳/碳復(fù)合材料和鎳基高溫合金的待連接面后，于120 15(TC烘干；
(b) 按Ni:Si二295:16 (質(zhì)量比)稱(chēng)取Ni、 Si粉末，混合研磨并在120 15(TC條件下烘干， 制成Ni-Si混合粉體；
(c) 將Ni-Si混合粉體均勻涂覆于C/C復(fù)合材料的待連接面上，再將待連接的鎳基高溫合 金放置在涂覆有Ni-Si混合粉體的C/C復(fù)合材料上，形成C/C復(fù)合材料/Ni-Si混合粉體/鎳基高溫 合金的夾心結(jié)構(gòu)，然后將其置于真空熱壓爐中，并使真空熱壓爐爐膛中的真空度低于l(^Pa;
(d) 以10 15。C/min的升溫速度將真空熱壓爐爐膛溫度由室溫升到1140 116(TC，并保 溫，同時(shí)開(kāi)始加壓，連接壓力控制在8 12MPa;(e)當(dāng)步驟(d)中的溫度和連接壓力保持35 50min后，停止加壓，并以100 120°C/h 的降溫速度，將真空熱壓爐爐膛溫度降至室溫。
本發(fā)明的有益效果是由于采用Ni-Si混合粉體做中間層，利用固相擴(kuò)散法成功實(shí)施了 對(duì)碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的有效連接，而且碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金接頭的剪切 強(qiáng)度達(dá)到了 7.86 19.92MPa。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，對(duì)25x10x5mm的C/C復(fù)合材料和等大的GH3128鎳基高溫合金連接。
1) 將C/C復(fù)合材料和GH3128鎳基高溫合金待連接面用400號(hào)水砂紙打磨后，在超聲波 清洗儀中用無(wú)水乙醇清洗30min,隨后在120"C烘箱中烘3h。
2) 用電子天平按Ni、 Si質(zhì)量比為295:16比例稱(chēng)取適量的Ni、 Si粉末，要求Ni、 Si粉 末的粒度均小于270目，將Ni、 Si粉末混合攪勾后，放入研缽中研磨30min，然后再將均勻 混合并研磨過(guò)的Ni-Si混合粉體放入烘箱中，并在150'C，保溫3h。
3) 將Ni-Si混合粉體均勻涂覆于C/C復(fù)合材料的待連接面上，再將GH3128鎳基高溫合 金放在涂覆有Ni-Si混合粉體的C/C復(fù)合材料上，形成C/C復(fù)合材料/Ni-Si混合粉體/鎳基高 溫合金的夾心結(jié)構(gòu)，然后將其置于真空熱壓爐中。
4) 開(kāi)啟真空熱壓爐的擴(kuò)散真空泵，并使其預(yù)熱60min。
5) 抽真空0.5h，并使真空熱壓爐爐膛中的真空度低于10—zpa吋，保真空l(shuí)h，當(dāng)確認(rèn)爐 膛真空度降幅小于30Pa時(shí)，方可以10°C/min的速度開(kāi)始升溫。
6) 當(dāng)真空熱壓爐爐膛溫度(即連接溫度)到達(dá)1140'C時(shí)，開(kāi)始加壓，加壓壓力(即連 接壓力)控制在12MPa;同時(shí)保溫、保壓35min。
7) 然后在連接溫度保持不變的情況下，將連接壓力由12MPa快速降至6MPa，并保壓 3min;隨后再將連接壓力降至3MPa，同時(shí)保壓2min,最后卸壓。
8) 當(dāng)連接壓力降為OMPa，開(kāi)始以120"C/h的速度降低爐膛溫度；當(dāng)爐膛溫度降至600°C 時(shí)，關(guān)閉擴(kuò)散真空泵；當(dāng)爐膛溫度降至20(TC時(shí)，關(guān)閉機(jī)械真空泵，同時(shí)斷電降溫。
9) 爐溫降至室溫時(shí)，開(kāi)爐取出樣件。
經(jīng)檢測(cè)，碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金接頭的剪切強(qiáng)度是7.86MPa，測(cè)試時(shí)加載速度為 lmm/min。
實(shí)施例2，對(duì)30x20xlOmm的C/C復(fù)合材料和等大的GH3128鎳基高溫合金連接。 1 )將C/C復(fù)合材料和GH3128鎳基高溫合金待連接面用400號(hào)水砂紙打磨后，在超聲波 清洗儀中用無(wú)水乙醇清洗30min，隨后在150'C烘箱中烘lh。2) 用電子天平按Ni、 Si質(zhì)量比為295:16比例稱(chēng)取適量的Ni、 Si粉末，要求Ni、 Si粉 末的粒度均小于270目，將Ni、 Si粉末混合攪勻后，放入研缽中研磨30min，然后再將均勻 混合并研磨過(guò)的Ni-Si混合粉體放入烘箱中，并在12(TC，保溫5h。
3) 將Ni-Si混合粉體均勻涂覆于C/C復(fù)合材料的待連接面上，再將GH3128鎳基高溫合 金放在涂覆有Ni-Si混合粉體的C/C復(fù)合材料上，形成C/C復(fù)合材料/Ni-Si混合粉體//鎳基高 溫合金的夾心結(jié)構(gòu)，然后將其置于真空熱壓爐中。
4) 開(kāi)啟真空熱壓爐的擴(kuò)散真空泵，并使其預(yù)熱60min。
5) 抽真空0.5h，并使真空熱壓爐爐膛中的真空度低于1(^Pa時(shí)，保真空l(shuí)h，當(dāng)確認(rèn)爐 膛真空度降幅小于30Pa時(shí)，方可以12°C/min的速度開(kāi)始升溫。
6) 當(dāng)真空熱壓爐爐膛溫度(即連接溫度)到達(dá)1160'C時(shí)，開(kāi)始加壓，加壓壓力(即連 接壓力)控制在8MPa;同時(shí)保溫、保壓50min。
7) 然后在連接溫度保持不變的情況下，將連接壓力由8MPa快速降至4MPa，并保壓3min; 隨后再將連接壓力降至1.5MPa，同時(shí)保壓2min，最后卸壓。
8) 當(dāng)連接壓力降為OMPa,開(kāi)始以100'C/h的速度降低爐膛溫度；當(dāng)爐膛溫度降至60(TC 時(shí)，關(guān)閉擴(kuò)散真空泵；當(dāng)爐膛溫度降至200"C時(shí)，關(guān)閉機(jī)械真空泵，同時(shí)斷電降溫。
9) 爐溫降至室溫時(shí)，開(kāi)爐取出樣件。
經(jīng)檢測(cè)，碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金接頭的剪切強(qiáng)度是19.92 MPa，測(cè)試時(shí)加載速度 為lmm/min。
實(shí)施例3，對(duì)25xl5xlOmm的C/C復(fù)合材料和等大的GH3128鎳基高溫合金連接。
1) 將C/C復(fù)合材料和GH3128鎳基高溫合金待連接面用400號(hào)水砂紙打磨后，在超聲波 清洗儀中用無(wú)水乙醇清洗30min，隨后在135。C烘箱中烘2h。
2) 用電子天平按Ni、 Si質(zhì)量比為295:16比例稱(chēng)取適量的Ni、 Si粉末，要求Ni、 Si粉 末的粒度均小于270目，將Ni、 Si粉末混合攪勻后，放入研缽中研磨30min，然后再將均勻 混合并研磨過(guò)的Ni-Si混合粉體放入烘箱中，并在13(TC，保溫4h。
3) 將Ni-Si混合粉體均勻涂覆于C/C復(fù)合材料的待連接面上，再將GH3128鎳基高溫合 金放在涂覆有Ni-Si混合粉體的C/C復(fù)合材料上，形成C/C復(fù)合材料/Ni-Si混合粉體//鎳基高 溫合金的夾心結(jié)構(gòu)，然后將其置于真空熱壓爐中。
4) 開(kāi)啟真空熱壓爐的擴(kuò)散真空泵，并使其預(yù)熱60min。
5) 抽真空0.5h，并使真空熱壓爐爐膛中的真空度低于10^Pa時(shí)，保真空l(shuí)h,當(dāng)確認(rèn)爐 膛真空度降幅小于30Pa時(shí)，方可以15'C/min的速度開(kāi)始升溫。
6) 當(dāng)真空熱壓爐爐膛溫度(即連接溫度)到達(dá)115(TC時(shí)，開(kāi)始加壓，加壓壓力(即連
5接壓力)控制在10MPa;同時(shí)保溫、保壓45min。
7) 然后在連接溫度保持不變的情況下，將連接壓力由10MPa快速降至5MPa，并保壓 3min;隨后再將連接壓力降至2MPa，同時(shí)保壓2min，最后卸壓。
8) 當(dāng)連接壓力降為OMPa，開(kāi)始以110t7h的速度降低爐膛溫度；當(dāng)爐膛溫度降至600'C 時(shí)，關(guān)閉擴(kuò)散真空泵；當(dāng)爐膛溫度降至20(TC時(shí)，關(guān)閉機(jī)械真空泵，同時(shí)斷電降溫。
9) 爐溫降至室溫時(shí)，開(kāi)爐取出樣件。
經(jīng)檢測(cè)，碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金接頭的剪切強(qiáng)度是11.26 MPa，測(cè)試時(shí)加載速度 為lmm/micu
后又經(jīng)過(guò)多次連接實(shí)驗(yàn)，對(duì)10 15'C/min不同的升溫速度，不同的爐膛溫度1140 1160°C，不同的連接壓力8 12MPa，不同的保溫、保壓時(shí)間35 50min后以及不同的降溫 速度100 12(TC/h進(jìn)行了不同組合的實(shí)驗(yàn)，均取得了良好的效果。
權(quán)利要求
1、一種碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接方法，其特征在于包括下述步驟(a)用無(wú)水乙醇清洗碳/碳復(fù)合材料和鎳基高溫合金的待連接面后，于120～150℃烘干；(b)按Ni∶Si＝295∶16(質(zhì)量比)稱(chēng)取Ni、Si粉末，混合研磨并在120～150℃條件下烘干，制成Ni-Si混合粉體；(c)將Ni-Si混合粉體均勻涂覆于C/C復(fù)合材料的待連接面上，再將待連接的鎳基高溫合金放置在涂覆有Ni-Si混合粉體的C/C復(fù)合材料上，形成C/C復(fù)合材料/Ni-Si混合粉體/鎳基高溫合金的夾心結(jié)構(gòu)，然后將其置于真空熱壓爐中，并使真空熱壓爐爐膛中的真空度低于10-2Pa；(d)以10～15℃/min的升溫速度將真空熱壓爐爐膛溫度由室溫升到1140～1160℃，并保溫，同時(shí)開(kāi)始加壓，連接壓力控制在8～12MPa；(e)當(dāng)步驟(d)中的溫度和連接壓力保持35～50min后，停止加壓，并以100～120℃/h的降溫速度，將真空熱壓爐爐膛溫度降至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接方法，首先對(duì)碳/碳復(fù)合材料和鎳基高溫合金的待連接面進(jìn)行清洗，再將Ni-Si混合粉體涂覆于C/C復(fù)合材料的待連接面上，形成C/C復(fù)合材料/Ni-Si混合粉體/鎳基高溫合金的夾心結(jié)構(gòu)，然后將其置于真空熱壓爐中，利用固相擴(kuò)散法對(duì)碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金進(jìn)行連接，由于采用Ni-Si混合粉體做中間層，實(shí)現(xiàn)了碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金的連接，而且碳/碳復(fù)合材料與鎳基高溫合金接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到了7.86～19.92MPa。
文檔編號(hào)C04B37/02GK101550020SQ20091002247
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者李克智, 李賀軍, 琛 郭, 郭領(lǐng)軍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)