SiC纤维增强钛基复合材料过渡液相扩散焊接头组织研究

第26卷　第3期
2006年6月
航　空　材　料　学　报
JOURNAL OF AERONAUTI CA L MATER I ALS
Vol .26,No .3June 2006
S i C 纤维增强钛基复合材料过渡液相
扩散焊接头组织研究
张　蕾,侯金保
(北京航空制造工程研究所,北京100024)
摘要:针对Si C f /T C4钛基复合材料,进行其过渡液相扩散焊试验,并进行接头组织研究。

结果表明:在试验条件下,采用自制的纤维+TiZr Cu N i 合金的复合中间层,通过合金与纤维的扩散,形成一紧密结合的界面,获得与母材接近的接头组织,实现钛基复合材料的成功连接。

关键词:Si C f /T C4钛基复合材料;过渡液相扩散焊;复合中间层
中图分类号:T G457 文献标识码:A 文章编号:100525053(2006)0320325202
收稿日期622;修订日期6232作者简介张蕾(8),女,硕士,工程师,(2)8@63。

SiC 纤维增强钛基复合材料由于具有优良的高
温综合性能,受到航空发动机设计者的日益青睐
[1]。

使用钛基复合材料能代替部分高温合金可
制造高性能、轻量化新结构,以提高航空发动机综合性能[2、3]。

由于技术难度以及技术保密等原因,国外对钛基复合材料连接技术研究报道很少,提到过渡液相(Transient Liquid Phase 简称T LP )扩散焊是连接纤维增强钛基复合材料的有效方法[1,4]。

T LP 扩散焊的技术特点是利用中间层在连接温度下的凝固及扩散,形成组织及成分与母材接近的接头。

针对SiC f /TC4钛基复合材料,采用自制的含纤维的复合中间层进行T LP 试验,研究其接头组织特点。

目前国内关于钛基复合材料焊接接头组织分析的研究报道甚少,本试验研究在国内尚属前列。

1　试验材料及试验方法
本试验选用Si C 长纤维增强、TC4钛合金为基体的钛基复合材料为试验材料。

试验所用纤维为国产W 芯SiC 纤维(有C 涂层)。

试样经超声清洗、机械打磨、化学清洗后放入真空炉中进行试验。

焊后接头微观组织采用光学、扫描电子显微镜进行观察,采用能谱仪分析界面微区元素的种类、分布和含量。

2　试验结果和分析
中间层是成功实现钛基复合材料过渡液相扩散焊的关键因素之一。

针对试验材料特点,自行研制TiZr CuNi 中间层合金。

常规钛合金钎焊时母材近缝区常出现由于Cu 、N i 元素扩散而形成的细小的针状α板条结构,另外,焊缝中还存在脆性块状相,都将导致接头性能的降低。

为提高接头的使用性能,改善接头中脆性相的分布状态,本试验首次采用在中间层合金中加入纤维增强相以制成复合中间层的方法,进行复合材料的过渡液相扩散焊试验。

为避免中间层合金对母材造成腐蚀及纤维/基体的不良反应,需严格控制焊接温度和保温时间。

根据前期摸索,采用优化后的参数:970℃±10℃,3分钟。

图1为采用含纤维增强相复合中间层的TLP 接头的微观组织照片。

由于采用合适的焊接温度以及保温时间,近缝区细小针状结构已经大大减少,焊缝中的块状相不但数量减少,且由于纤维的存在而未能形成连续分布。

图　纤维+T Z N 中间层接头金相
　F f +T Z N 2
y :2000122:200022
:197-E ma il :amber7071.co m 1i rCu i ig .1Joint m etall ograph using ibe r i rCu i co m posite interla er
航　空　材　料　学　报第26卷
图2分别为焊缝及母材中纤维界面的微观组织及线扫描图像。

焊缝中合金通过元素的扩散与纤维形成良好结合。

界面从左至右分为三层:近反应层(a区);反应层(b,c区);富C反应层(d区)。

近反应层由于Cu,N i等元素在此处富集(图2 a中左边第一个变化区),同时钛元素含量在此处出现平台,结合EDS分析结果,可以判断该处主要为
Ti
2
Cu和Ti
2
Ni。

Cu,N i等元素并没有扩散到纤维的富C层,只是富集在纤维/合金反应层的表面,并没有损坏纤维本体。

b、c区由于钛元素和硅元素相互扩散形成固溶体反应层,元素分布曲线光滑,没有新的化合物生成。

d区对应钛元素扫描曲线最右边的平台区域,结合EDS结果,该处有Ti C生成。

基体中纤维界面也出现钛硅固溶体层(图2b)。

图2　不同区域纤维/金属界面组织及线扫描
(a)接头中纤维与合金界面;(b)母材中纤维与基体界面
Fig.2　Interfacial structure and line scan of fi ber/m etal in different area
(a)interface of fiber/me tal in the j oint;(b)interface of fibe r/me tal i n t he pa rent ma terial
金属/纤维的结合是实现钛基复合材料TLP成功连接的关键。

焊缝中纤维与合金发生反应,形成一主要由钛与硅的固溶体组成的结构复杂的同心圆界面层,在使用中起到传递载荷以及匹配纤维与基体应力的作用,解决了合金与纤维由于物化等差异而导致的结合困难的问题,从而获得了组织与母材接近的接头,实现了钛基复合材料的成功连接。

3　结　论
(1)研制了适合Si Cf/TC4钛基复合材料过渡液相扩散焊的纤维+合金的复合中间层,获得与母材接近的接头组织,实现钛基复合材料的成功连接。

(2)Si C纤维与中间层合金的界面反应层依次为:富C反应层(含Ti C)、反应层(主要为钛硅固溶体)、近反应层(N i,C u元素富集)。

参考文献:
[1]任家烈,吴爱萍.先进材料的连接[M].北京:机械工业
出版社,2000.
[2]吴人洁.复合材料[M].天津:天津大学出版社,2000.
[3]HAL L Erne st L,R IT TER Ann M.Structure and behavior
of me tal/ce ram ic interfaces i n Ti all oy/Si C m etal ma trix co mposites[J].Jou rna l of Ma t e rial Resea rch,1993,8(5) [4]HOFF MAN E K,B I RD R K,D I CUS D L.Effec t of braze
proce ssing on SCS26/β21S titaniu m ma trix c s o mposite s.
WE LD I NG R ESE ARCH,1994
J oi n t Structur e of Si C F i ber Re i for ced T itan i um M a tr i x CO o m pound by Tran sien t L i qu i d Pha s e(TL P)D i ffusi on Bond i n g
ZHA N G2Lei,　HOU Jin2bao
(B eijing Aeronautical Manufac turi ng Technol ogy Re s ea rch Instit u t e,Be iji ng100024,China)
Ab stra ct:B ased on SiCf/T C4titaniu m m atr i x co mpound,the TransientLiquid Phase(T LP)di ffusi on bonding te stwa s carried out and the jointm ic r ostructure was investigated.The results indica ted that an excell ent j oining of Titaniu m m atrix compound,which is si m ila r ,2y f S f+T Z N y,
f f f ff
K y S
f T x;T L q(T L)ff;y
623
t o th e p a ren tm ate ria l can be o b t a ined u si n g h ome m ad e co mpo site in terla er o i C i b er i r Cu i all o w h ich lead s t o a co mp act in t e r ac ial m ic r o stru ctu re o ibe r/m eta l th rou gh d i u sing.
e w or d s:i C/C4titan iu m ma tri comp ou nd ransien t i u id Ph ase P d i u si on bon din g co mpo site in te rla e r。