难熔金属在陶瓷基复合材料上的应用

:;<"" 的研究表明，各厚 %== 的铌和 循环过程中，柱状晶粒转变为致密等轴
钼 64>9 层 6&’(?;@?4>?:;<"" 9 能 达 到 晶粒，孔隙向外转移 ，高 温 热 循 环 孔 隙
航空维修与工程 !""#$ %
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含有少量活性元素钛9可以有效地阻止 人的研究结果表明，铱作为 ($( 复合材 现，将加快难熔金属结合陶瓷基复合材
碳的扩散，使纯铌层不受连接过程的影 料涂层的可行性，均质石墨上的铱涂层 料在航空发动机上的应用。
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响。铌连接反应烧结碳化硅和金属支架 的热循环6!-$3F"""9研 究 也 表 明 在 热
定 到 熔 点 ，而 且 钽 和 铌 具 有 非 常 高 的 高 温强度和韧性;尽管不同的制备方法和
<57;或 <5%A#=陶瓷的连接上。钽和铌是 强 烈 的 碳 化 物 和 硅 化 物 形 成 元 素 ，因 此
工艺对难熔金属的 力 学 性 能 有 显 著 影 在远低于钽、铌熔 点 的 温 度 下 ，即 可 发
难熔金属在陶瓷基复合材料上
应用现状
>C 钽和铌在陶瓷及陶瓷基复合材 料连接中的应用
研 究 表 明 ，常 用 的 连 接 金 属 与 陶 瓷 图 " 退火态难熔金属的抗拉强度与温度的关系
基复合材料;或金属与陶瓷=的银基和铜
基填充物金属的工作温 度 低 于 D""!， >EF"!具有良好的抗氧化能力，能够保
最有效的结合，简单几何形状的连接可 减 少 ，涂 层 未 出 现 裂 纹 ，覆 盖 性 良 好 。
更好的降低残余应力。铌合金连接二维 ($( 复 合 材 料 上 用 射 频 磁 电 管 溅 射
(/0$&’( 复合材料的研究 表 明 ，熔 化 的 #.+! ! 厚 铱 涂 层 在 退 火 % 氩 气 氛 铌合金可渗入基体与纤维的孔隙中，发 &’(()退 火 &*+,-# 前 后 都 显 示 了 较 好
23!"""# 氮化硅陶瓷的连接强度可达 #""45*，界面反应 生 成 )*+&’% 相 ，；若 连接温度过高，导致过分 反 应 ，则 连 接
!.0 铱在陶瓷基复合材料抗氧化研 究中的应用
铱薄膜具有很好的抗氧化能力和
展望 随着 (/0$&’( 复合材料在航空发动
机 上 的 应 用 ，难 熔 金 属 铌 和 钽 在 其 连 接
强度下降。扩散连接可以获得很高的连 热特性，在 !3"""高温下具有低氧渗透 方面具有巨大的应用潜力，当前需要解
接强度，但连接层内的强度不一致。连 率，熔点下的蒸 气 压 非 常 低 ，在 !!""" 决的是难 熔 金 属 和 碳 化 硅 的 过 分 反 应
接时必须保证两连接件完全对准，否则 仍具有良好的抗氧化性，从图 ! 可以看 问题及热膨胀匹配问题。鉴于铱的优良
含难熔金属的填充物作为阻挡层6如果 铱双涂层保护 ($( 复合 材 料 的 火 箭 发
填充物难熔金属的含量低，可以加入少 动机喷管，该喷管在 3+"".!!"")的 高
量活性元素铪或钛9，控制扩散和降低 温条件下稳定可靠重复使用可以达到
热膨胀系数的不匹配，则wenku.baidu.com体现难熔金 3".!"G。与 ($( 复合材料的抗氧 化 陶
响=，见图 >。
生反应，形成连接。钽和 <57 的界面反
对氧化性气氛下钽、铌及其合金的 应研究表明 ，在 >!""!经 过 较 长 的 退
保 护 涂 层 已 有 较 详 细 的 研 究 。 它 们 在 火时间，钽膜会完全 反 应 生 成 @*79<5.
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钽 首 先 与 碳 和 碳 、硅 反 应 ，生 成 )*!(、 )*+&’%(,，然后由于碳、硅、钽的互扩散 ， 厚 -.+! ! 的钽箔完全反应生成脆性相
)*&’! 和 )*(。若其直接应用于连接具 有 一 定 韧 性 的 (/0$&’( 复 合 材 料 上 ，产 生的脆性相对连接后的整体机械性能
&’()*+,-)./ 0’,*12/ 32’4/ 56/7’)*85+/ 0*,)59/7-8:-25,’2
! 李鸿鹏 马康民 李锋 贺四清 $ 空军工程大学
连续 碳 纤 维 增 韧 碳 化 硅 基 复 合 材 料 ;7(/$<57= 具 有 高 比 强 度 、高 比 模 量 以 及 难 熔 、耐 腐 蚀 、耐 磨 、优 良 的 抗 氧 化 性 能 、断 裂 韧 性 、抗 烧 蚀 、抗 热 震 等 优良特性，比 7$7 复合材料具有更 好 的 力 学 性 能 和 抗 氧 化 性 能 ，是 被 广 泛 关 注的高温结构材料，具备了作为推比 >" 以上航空发动机某些热端部件的条 件，是重要的战略性新材料，因 而 使 得 其研究开发工作急剧升温。
复合材料专辑 $<GH7?IJ/ 7KJ30A/ LK&/7K0GK< ?@H
论述了钽、铌及其合金在 <57 陶瓷、7(/$<57 复合材料连接方 面的应用，铱在 7$7 复合材料、石墨抗氧化方面的应用。指出了 难熔金属在陶瓷基复合材料应用上存在的问题，并提出了解决 问题的方法。
难熔金属在陶瓷基复合材料上的应用
有负面的影响，另外，由 于 热 膨 胀 系 数
不匹配，脆性相会产生裂 纹 ，导 致 连 接 失效或不能可靠地应用。
铌和钽扩散连接 1连接温度
6连接时间 #+=’K9 图 %000二维 (/00$&’( 复合材料的连接界面显微结构
不存在裂纹，充分体现了铱作为抗氧 化涂层的优越性。;! 气氛的条件下， 铱在 F"")生成硅化物，快速退 火 的 条 件 下 ，%+" .+"") 即 可 生 成 铱 的 硅 化 物。目前未见有关铱作为 (/0$&’( 复合 材料抗氧化涂层的文献和相应的界面 反 应 控 制 问 题 ，然 而 在 基 体 &’( 工 作 温 度 上 限63<+")#、燃 气 化 学 腐 蚀 和 长 寿命要求的条件下，铱具备了作为 (/0 $&’( 复合材料涂层的条件。
温度则较低 。钽;@*=、铌;AB=等 难 熔 金 属与 7、<57 良好的润湿性能以及其 优 良的焊接性能和高温强度为 7(/$<57 复 合材料之间的连接及其与金属支架的 连接提供了条件。难熔金属在陶瓷基复 合材料的连接及其抗氧化领域潜在的 应 用 价 值 和 应 用 前 景 ，已 经 形 成 了 一 个 新的研究领域。
而钴基和镍 基 填 充 物 金 属 由 于 具 有 较 证钽和铌在高温中可靠地应用。它们的
高的硬度和脆性，使得连接后的裂纹贯 氧化性与温度的关系，如图 ! 所示。
穿钎焊金属，且工作温度也不高于
目 前 有 关 用 钽 、铌 连 接 陶 瓷 基 复 合
E""!。钽在非氧化气氛下最高可以稳 材料的研 究 主 要 集 中 在 钽 、铌 和 基 体
温度倒数 3"?#$0)，B?3 图 ! 难熔金属的氧化与温度关系
属在高工作温度下高强度和韧性的特 点，从而使连接后的 &’( 基复合材料在 高温下使用。
瓷涂层相比，铱涂层即可减少基体表 面的裂纹，在高 温 下 ，韧 性 的 铱 涂 层 又 可在一定程度上缓解热应力，使涂层
脆性相。&’($)*$&’( 的连接研究表明，
生适当的界面反应，保证高温下的连接 的一 致 性 、完 全 覆 盖 性 和 附 着 性 。但
强度和合金的韧性，连接时间越长，效 3-"")热 处 理 的 铱 涂 层 的 完 整 性 不 如
果越好。三维 (/0$&’( 复合材料的连接 及其和金属铌的连接研究正在进行。用
热循环至 3F"")的铱 涂 层 的 好 。美 国 专利介绍了一种用化学气相沉积铼 $
也会导致连接层内的强度不一致。 铌 和 反 应 烧 结 碳 化 硅 678&(9 的 连
接 研 究 表 明 ，填 充 物 低 铌 高 硅 合 金6还
出，铱的氧化挥发速率很低，其在 !!A""以下不与碳反应，碳溶解度很低， 可有效地防止碳扩散。B.04C4)DE 等
抗氧化性能，探索其在 (/0$&’( 复合材 料抗氧化方面的应用和界面问题也是 今后研究的重点。新技术和新工艺的出
尽 管 如 此 ，7(/$<57 复 合 材 料 要 实 现工程化应用尚有两点基础问题需要 解决。一是复合材料受其基体裂纹和孔 隙 影 响 ，在 燃 气 环 境 下 的 抗 氧 化 性 能 较 低 ，因 此 探 索 热 膨 胀 系 数 匹 配 、具 有 优 良抗氧化性能及耐化学腐蚀的涂层材 料等问题是解决 7(/$<57 复合材料在燃 气 条 件 下 工 作 的 关 键 ，。 一 般 的 抗 氧 化 涂层不能使燃气条件下的工作温度显 著 提 高 。 铱 ;?)=等 铂 族 难 熔 金 属 高 的 抗 氧化性、耐腐蚀性和高温韧性为制备 7(/$<57 抗氧化涂层提供了条件。二 是 由于基体 <57 高温挥发没有熔点，传统 的焊接技术无法实现陶瓷基复合材料 ; 或 陶 瓷 = 及 其 与 金 属 的 连 接 ，目 前 应 用 的连接陶瓷基复合材料的合金的工作