专利名称：碳/碳复合材料与钛合金焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种碳/碳复合材料与钛合金焊接方法。
背景技术：
碳纤维增韧碳基复合材料(以下简称碳/碳复合材料)是新一代战略性热结构材料，具有散热快(高导热)，温度上升慢(高比热容)，耐高温，质量轻，耐久性好等优点，适用于制造高速车辆和飞机的制动部件、导弹头、火箭的鼻锥和喷嘴喉衬、航天飞机的鼻锥和翼前缘以及透平引擎部件等。将碳/碳复合材料和金属焊接在一起，可以充分利用其与金属在性能、加工方面的互补优势，满足零部件制造的高性能化、精密化的要求。可以认为，碳/碳复合材料与钛合金的焊接，是实现碳/碳复合材料在空间技术和航空技术成功应用的关键技术之一。
碳/碳复合材料和金属的焊接是困难的，第一，要解决好焊接性问题，即焊料需要具备良好的流动性和润湿性，以便渗入到碳/碳复合材料内部间隙中实现机械咬合，并和碳/碳复合材料中的碳和碳纤维实现钎合或反应结合生成化合物。第二，由于碳/碳复合材料的线膨胀系数很小，约为1×10-6K-1，仅为金属的1/6～1/16，焊接接头由于热膨胀失配所引起的热应力，需要得到释放、缓解或转移。事实上，热应力是导致碳/碳复合材料与金属焊接成败的关键因素。
文献“《复合材料的焊接》，陈茂爱，陈俊华，高进强著，北京化学工业出版社，2005年1月，p80-87”介绍了碳/碳复合材料与金属Al、金属Cu之类延展性好的软金属的连接，如碳/碳复合材料与无氧铜的钎焊，采用金属Ti作钎料，利用Ti和被焊金属Cu产生Ti-Cu共晶液相来实现。但是，采用上述方法直接钎焊碳/碳复合材料与钛合金等金属，只能进行200mm2以下的小面积焊接，对于大面积焊接，往往会导致焊接接头因热应力而开裂失效。
发明内容
为了克服现有技术不能对碳/碳复合材料与钛合金进行大面积焊接的不足，本发明提供一种碳/碳复合材料与钛合金焊接方法，可实现碳/碳复合材料与钛合金的高强度连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种碳/碳复合材料与钛合金焊接方法，包括下述步骤1)选择0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μm厚的Cu箔或者Cu板叠加组成Ti/Cu中间层，并清洁处理碳/碳复合材料与钛合金的焊接面以及Ti箔、Cu箔或者Cu板；2)将碳/碳复合材料、Ti箔、Cu箔或者Cu板、钛合金组合成碳/碳复合材料+Ti/Cu+钛合金的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，并施加预压力将焊件压实；
3)对扩散焊炉内抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.02～0.1MPa，并保持，然后以5～8℃/min的速度升温至焊接温度910～1000℃，保持5～20min，然后将焊接压力升至2～4MPa，并保持20～40min，以5～7℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
本发明的有益效果是由于在碳/碳复合材料与钛合金之间放置Ti/Cu中间过渡层，Ti和Cu发生共晶反应，生成低熔点液态金属，该液态金属润湿并扩散、渗入到碳/碳复合材料基体中，同时与碳/碳复合材料中的碳、碳纤维发生化学反应产生化学键合；随着Cu的继续扩散进入液态金属中，导致其熔点升高并最终因其熔点高于焊接温度而发生凝固，冷却后实现机械咬合与化学反应相结合的连接机制；Cu中间层与钛合金则实现扩散焊冶金结合，从而实现碳/碳复合材料与钛合金的大面积焊接。
下面通过实施例对本发明进一步说明。
具体实施例方式
本发明碳/碳复合材料与钛合金焊接方法，主要是在碳/碳复合材料与钛合金之间放置中间过渡层，该中间层由0.05～0.10mm的Ti箔和0.4～0.8mm厚的Cu板叠加组成Ti/Cu中间层结构，从而形成碳/碳复合材料+Ti/Cu+钛合金的焊接结构。在碳/碳复合材料与钛合金之间施加一定的焊接压力，在真空扩散焊炉中升温到焊接温度，并保温一定时间。在此期间，在碳/碳复合材料与中间层之间发生瞬间液相扩散焊，即Ti和Cu发生共晶反应，生成低熔点液态金属，该液态金属润湿并扩散、渗入到碳/碳复合材料基体中，同时与碳/碳复合材料中的碳、碳纤维发生化学反应产生化学键合。随着Cu的继续扩散进入液态金属中，导致其熔点升高并最终因其熔点高于焊接温度而发生凝固，即发生了“等温凝固”现象。冷却后实现机械咬合与化学反应相结合的连接机制。Cu中间层与钛合金则实现扩散焊冶金结合。
实施例1焊接面积为900mm2的碳/碳复合材料与工业纯钛TA3的焊接。
选取厚度为0.018μm的Ti箔、总厚度为0.4μm的Cu箔。
打磨碳/碳复合材料待焊面，并在无水乙醇溶剂中超声波清洗除油去污并冲刷洁净。在无水乙醇溶剂中超声波清洗Cu箔。酸洗Ti箔和工业纯钛TA3去除表面氧化膜，并和Cu箔一起，在去离子水中超声波清洗冲刷洁净。
晾干后的碳/碳复合材料、Ti箔、Cu箔和工业纯钛TA3进行焊前装卡，组合成碳/碳复合材料+Ti/Cu+TA3的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，施加预压力将焊件压实。
关闭真空室门，抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.02MPa，并保持，然后以8℃/min的速度升温至焊接温度910℃，保温5min，实现碳/碳复合材料与Ti/Cu中间层间的瞬间液相扩散焊；然后将焊接压力升至2MPa，并保持20min，实现Ti/Cu中间层与工业纯钛TA3的扩散焊。最后以7℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
经过对焊接后碳/碳复合材料与工业纯钛TA3的接头用压剪方式进行测试，其剪切强度为26MPa。
实施例2焊接面积为1200mm2的碳/碳复合材料与Ti-6Al-4V钛合金的焊接。
选取厚度为0.03μm的Ti箔、厚度为0.6μm的Cu板。
打磨、清洗、装卡方法同实施例1。
关闭真空室门，抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.08MPa，并保持，然后以7℃/min的速度升温至焊接温度960℃，保温10min，实现碳/碳复合材料与中间层间的瞬间液相扩散焊；然后将焊接压力升至3MPa，并保持30min，实现中间层与钛合金扩散焊。最后以6℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
经过对焊接后碳/碳复合材料与Ti-6Al-4V钛合金的接头用压剪方式进行测试，其剪切强度为28MPa。
实施例3焊接面积为1600mm2的碳/碳复合材料与Ti-3Al-7Mo-11Cr钛合金的焊接。
选取厚度为0.16μm的Ti箔、厚度为0.8μm的Cu板。
打磨、清洗、装卡方法同实施例1。
关闭真空室门，抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.1MPa，并保持，然后以5℃/min的速度升温至焊接温度1000℃，保温20min，实现碳/碳复合材料与中间层间的瞬间液相扩散焊；然后将焊接压力升至4MPa，并保持40min，实现中间层与钛合金扩散焊。最后以5℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
经过对焊接后碳/碳复合材料与Ti-3Al-7Mo-11Cr钛合金的接头用压剪方式进行测试，其剪切强度为34MPa。
权利要求
1.一种碳/碳复合材料与钛合金焊接方法，包括下述步骤1)选择0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μm厚的Cu箔或者Cu板叠加组成Ti/Cu中间层，并清洁处理碳/碳复合材料与钛合金的焊接面以及Ti箔、Cu箔或者Cu板；2)将碳/碳复合材料、Ti箔、Cu箔或者Cu板、钛合金组合成碳/碳复合材料+Ti/Cu+钛合金的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，并施加预压力将焊件压实；3)对扩散焊炉内抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.02～0.1MPa，并保持，然后以5～8℃/min的速度升温至焊接温度910～1000℃，保持5～20min，然后将焊接压力升至2～4MPa，并保持20～40min，以5～7℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
全文摘要
本发明涉及一种碳/碳复合材料与钛合金焊接方法，包括下述步骤选择0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μm厚的Cu箔或者Cu板叠加组成Ti/Cu中间层，并清洁处理碳/碳复合材料与钛合金的焊接面以及Ti箔、Cu箔或者Cu板；将碳/碳复合材料、Ti箔、Cu箔或者Cu板、钛合金组合成碳/碳复合材料+Ti/Cu+钛合金的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，并施加预压力将焊件压实；对扩散焊炉内抽真空至6.3×10
文档编号B23K20/24GK1792535SQ20051009643
公开日2006年6月28日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者李京龙, 张赋升, 熊江涛, 王忠平, 李贺军, 席琛 申请人:西北工业大学