方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
焊接技术领域。更具体的讲是在钎焊过程中，当连接界面形成一层连续脆性化合物，影响接头强度时，采用
电泳沉积SiC纳米线(SiCNWs)的方法，可以改善界面组织，提高接头强度。
背景技术
[0002] C/C复合材料具有低
密度，高温下保持较高的强度，抗烧蚀性能优异和
热膨胀系数低等特性，常用于航空航天、核电等领域。在许多情况下，需要将C/C复合材料与金属相连接。目前，C/C复合材料与金属的连接方法中，钎焊连接的研究较为广泛。但由于
母材与钎缝金属的
热膨胀系数差异较大，钎焊接头中易产生较大残余应
力，导致接头强度下降。因此需要研发新的工艺降低钎焊接头中的残余
应力，提高接头强度。
[0003] 为提高钎焊接头的强度，一般的钎焊工艺为增加软性金属
中间层或使用混有低热膨胀系数添加相的复合钎料，其思路为改变钎缝组织以及缓解接头残余应力。但这两种方法无法定向调控界面组织，且添加相易团聚，容易成为新的薄弱相。在许多钎
焊条件下，钎缝中会形成一层连续的硬脆相，成为接头中的薄弱相。文献“M.Singh,T.P.Shpargel,G.N.Morscher,R.Asthana,Active metal brazing and characterization of brazed joints in titanium to carbon-carbon composites,Mater.Sci.Eng.A.412(2005)123–128.doi:10.1016/j.msea.2005.08.179.”指出使用Cu-ABA、TiCuNi和TiCuSil三种不同钎料对C/C复合材料管和Ti进行活性钎焊时，在靠近C/C复合材料一侧均优先沉淀形成了一层脆性中间相TiCu。在采用AgCuTi钎料钎焊C/C复合材料与Nb金属时，在靠近C/C一侧会形成一层连续TiCu脆性化合物，影响接头性能。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种
基于电泳沉积SiC纳米线的碳碳复合材料与金属的钎焊连接方法，解决采用活性钎料钎焊连接C/C复合材料与金属时，靠近C/C复合材料一侧出现连续脆性化合物降低接头强度的问题，在C/C复合材料表面沉积一层SiCNWs，其与钎料中的活性元素反应生成尺度极小的新相并析出，TiCu以之为形核质点以非均匀形核方式析出，从而使得原本连续的脆性TiCu化合物细化，改善接头的薄弱相，以提高接头强度。
[0005] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
[0006] 基于电泳沉积SiC纳米线的碳碳复合材料与金属的钎焊连接方法，按照下述步骤进行：
[0007] 步骤1，以碳碳复合材料为负极置于含有SiC纳米线的悬浮液中，采用直流电进行电泳沉积，以使碳碳复合材料表面沉积SiC纳米线，在含有SiC纳米线的悬浮液中，SiC纳米线的浓度为0.4—0.7g/L，分散剂亚甲基二
萘磺酸二钠的浓度为0.5—0.8g/L，
硝酸铝的浓度为0.03—0.08g/L；
[0008] 在步骤1中，
铜板为正极，正极和负极的距离为10—20mm。
[0009] 在步骤1中，SiC纳米线(即SiCNWs)的直径为100-500nm，长度为50-100μm，优选直径为200—300nm，长度为60—80μm。
[0010] 在步骤1中，沉积
电压为30—60V，沉积时间为5—60s，优选沉积电压为40—50V，沉积时间为10—40s。
[0011] 在步骤1中，在含有SiC纳米线的悬浮液中，SiC纳米线的浓度为0.5—0.7g/L，分散剂亚甲基二萘磺酸二钠的浓度为0.6—0.75g/L，硝酸铝的浓度为0.03—0.05g/L；采用超声以分散均匀，如1小时，再将碳碳复合材料置于其中进行直流电泳沉积。
[0012] 步骤2，将经过步骤1处理的碳碳复合材料作为待焊件，与钎料和金属按照三明治式结构装配形成钎焊件，并以
石墨盘夹持，保证紧密
接触，将其置于
真空钎焊炉中并抽真-3空，在炉内压强达到1×10 MPa以下时，以5—10℃/min的升温速率自室温20—25摄氏度升至高于钎料熔点20—150摄氏度的
温度并保温进行钎焊，再降至室温20—25摄氏度即可，从而实现碳碳复合材料与金属的钎焊连接。
[0013] 在步骤2中，采用AgCuTi钎料，其名义成分为Ag-21Cu-4.5Tiwt％，即21wt％Cu、4.5wt％Ti、剩余为Ag，合计为100wt％，钎焊温度为850—900摄氏度，钎焊温度保温时间为
10—15min。
[0014] 在步骤2中，优选炉内压强达到8～9×10-4MPa后升温进行钎焊。
[0015] 在步骤2中，在升温过程中选择在700—750摄氏度下进行保温10—15min，以使炉内温度均匀；在降温过程中选择在400—450摄氏度下进行保温10—15min，以使炉内温度均匀，避免温度骤降造成影响，最后随炉冷却至室温。
[0016] 在步骤2中，金属为纯Nb板，纯度>99.9％。
[0017] 在步骤2中，活性钎料若为粉末状钎料，装配时先用粘结剂(如乙酸辛酯与硝酸
纤维素混合溶液)与之充分混合，均匀涂抹于待焊件。
[0018] 在本发明技术方案中，将碳碳复合材料切割成型，放入丙
酮中超声清洗5-30min后烘干备用，将待焊金属切割成型，用SiC
砂纸将其打磨至1000#，放入丙酮中超声清洗5-30min后烘干备用。
[0019] 与现有技术相比，本发明中引入的SiCNWs与钎料中的活性元素反应所得的产物十分细小，不会成为接头中的薄弱相。而该产物可以改变接头形成过程，在接头形成过程中为脆性化合物的沉淀提供形核质点，细化脆性化合物，打碎原先连续的脆性相。这有利于接头中残余应力的释放，从而提高接头强度。相比较于
化学气相沉积，电泳沉积具有周期短、成本低的优点，且不会损伤
碳纤维。本发明的基于电泳沉积SiCNWs的C/C复合材料与金属的钎焊连接方法，通过改变钎焊接头形成过程中，界面组织中脆性化合物的形核长大方式，细化脆性化合物。从而降低接头中的残余应力，提高接头强度。
附图说明
[0020] 图1为本发明中采用的电泳沉积示意图。
[0021] 图2为本发明
实施例1中得到的C/C复合材料与Nb金属的钎焊接头界面的扫描
电子显微镜照片。
[0022] 图3为本发明实施例2中经过电泳沉积30s后所得C/C复合材料与Nb金属的钎焊接头界面的扫描电子显微镜照片。
[0023] 图4为本发明中钎焊接头的剪切强度测试装置示意图。
具体实施方式
[0024] 下面结合具体实施例来详细说明本发明的技术方案。需要指出的是，以下实施步骤目的在于更好的理解本发明所述的方法，对其不起任何限定作用。碳碳复合材料，购自湖南博
云新材料股份有限公司，作为碳纤维增强复合材料使用，碳纤维和
热解碳组成；厚100μm的Ag-21Cu-4.5Ti(21wt％Cu、4.5wt％Ti、剩余为Ag，合计为100wt％)箔片，作为钎焊
焊料，购自北京有色金属研究总院；SiC纳米线，购自徐州捷创新材料科技有限公司；亚甲基二萘磺酸二钠(NNO)购自玛雅
试剂。
[0025] 实施例一：
[0026] 本实施例为对照组，为不采用电泳沉积的C/C复合材料与Nb金属的钎焊连接方法，采用AgCuTi钎料，其名义成分为Ag-21Cu-4.5Ti wt.％。具体按下述步骤进行：
[0027] (1)将待焊C/C复合材料用内圆切割机加工成5mm×5mm×5mm的小
块，放入丙酮中超声清洗5-30min后烘干备用。
[0028] (2)将待焊Nb金属用线切割加工成10mm×15mm×3mm的小块，用SiC砂纸将其打磨至1000#，放入丙酮中超声清洗5-30min后烘干备用。
[0029] (3)将C/C复合材料、AgCuTi钎料与Nb金属装配成钎焊件，放入高温真空钎焊炉中，待炉内压力低于1×10-3MPa时，开始以10℃/min的速率加热到750℃，然后保温10min，之后按10℃/min的升温速率继续升温，加热至880℃。在880℃保温10min后，以5℃/min的速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温20—25摄氏度。从而实现C/C复合材料与Nb金属的钎焊连接。本实施例所得C/C复合材料与Nb金属的钎焊接头的扫描图片如图2所示，从图中可以看出未经过电泳沉积工艺的接头界面组织中，脆性TiCu化合物连续，其为接头中的薄弱相。
[0030] 实施例二：
[0031] 本实施例为基于电泳沉积SiCNWs的C/C复合材料与Nb金属的钎焊连接方法，采用AgCuTi钎料，其名义成分为Ag-21Cu-4.5Ti wt.％。具体按下述步骤进行：
[0032] (1)将待焊C/C复合材料用内圆切割机加工成5mm×5mm×5mm的小块，放入丙酮中超声清洗5-30min后烘干备用。
[0033] (2)将待焊Nb金属用线切割加工成10mm×15mm×3mm的小块，用SiC砂纸将其打磨至1000#，放入丙酮中超声清洗5-30min后烘干备用。
[0034] (3)按浓度SiCNWs0.5g/L，分散剂NNO0.75g/L，AlNO30.05g/L配制SiCNWs的异丙醇悬浮液，超声分散1h。
[0035] (4)以步骤(1)所得的C/C复合材料为负极，Cu板为正极，两极间距为10mm，浸入步骤(3)配制所得的电泳液，通以电压为40V的直流电进行电泳沉积，电泳沉积时间为30s，如附图1所示。
[0036] (5)将步骤(4)处理的待焊件、AgCuTi钎料与Nb金属装配成钎焊件，放入高温真空钎焊炉中，待炉内压力低于1×10-3MPa时，开始以10℃/min的速率加热到750℃，然后保温10min，之后按10℃/min的升温速率继续升温，加热至880℃。在880℃保温10min后，以5℃/min的速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温。从而实现C/C复合材料与Nb金属的钎焊连接。
[0037] 本实施例经过电泳沉积30s后所得C/C复合材料与Nb金属的钎焊接头的扫描图片如图3所示，从图中可以看出经过电泳沉积工艺后，脆性TiCu化合物明显细化。
[0038] 实施例三：本实施例与实施例二不同的是：步骤(4)中的电泳沉积时间为5s。其他与实施例二相同。
[0039] 实施例四：本实施例与实施例二或实施例三不同的是：步骤(4)中的电泳沉积时间为10s。其他与实施例二或实施例三相同。
[0040] 实施例五：本实施例与实施例二至实施例四不同的是：步骤(4)中的电泳沉积时间为20s。其他与实施例二至实施例四相同。
[0041] 实施例六：本实施例与实施例二至实施例五不同的是：步骤(4)中的电泳沉积时间为60s。其他与实施例二至实施例五相同。
[0042] 焊后，C/C复合材料与Nb钎焊接头的性能通过接头的剪切强度进行评价。剪切试验通过万能试验机(Instron 1186)完成，压头的移动速度设定为0.2mm/min，钎焊后的试样放置在特制卡具中，利用压头对金属Nb施加应力，达到剪切效果，具体试验过程如图4所示。试样的平均抗剪强度取3～5个试样的平均值。
[0043] 接头抗剪强度计算公式为
[0044]
[0045] 式中：τ——抗剪强度(MPa)
[0047] S——接头钎缝有效面积(mm2)
[0048] 通过计算，各实施例中的钎焊接头剪切强度如表1所示。由表中数据可知，电泳沉积SiCNWs工艺可以明显提高钎焊接头强度。当电泳沉积时间为20s时，剪切强度最高，为37.0MPa，为实施例一中原始接头剪切强度的两倍。
[0049] 表1
[0050]
[0051] 根据本发明内容进行制备工艺的参数调整，均可实现碳碳复合材料与金属的钎焊连接，且表现出与本发明基本一致的性能，即SiC纳米线在改善碳碳复合材料与金属钎焊连接性能中的应用，细化脆性化合物，打碎原先连续的脆性相。这有利于接头中残余应力的释放，从而提高接头强度。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的
变形、
修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
