CN109175764A - 一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，本发明涉及钎焊C/C复合材料的方法领域。本发明要解决现有C/C复合材料钎焊连接中，残余应力大导致可靠性低的技术问题。方法：一、切割C/C复合材料，清洗；二、将石墨烯海绵沿着平行于横截面的方向切成薄片；三、将AgCuTi粉末钎料进行压片处理；四、组合装配，压紧；五、钎焊。本发明通过石墨烯海绵中间层与钎料中Ti原位反应，在钎缝中生成均匀分布的TiC增强相，细化并增强钎缝基体组织，同时阻碍脆性Cu₂Ti在钎缝中形成，进而提高所得接头的力学性能，抗剪强度可达到55MPa。本发明方法用于C/C复合材料钎焊连接领域中。

Description

一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法

技术领域

本发明涉及钎焊C/C复合材料的方法领域。

背景技术

随着空间技术的飞速发展，人们对宇宙空间的探索与开发日益频繁，运载各种空间站、空间探测器的火箭的性能和数量随之不断发展。喷管在火箭发动机的能量转换中起到重要作用，在火箭发动机喷管工作时往往需要承受严苛的服役条件。首先，在服役条件下，喷管处于2000℃至3500℃的高温环境，并要承受剧烈的热冲击。此外，高温的服役环境往往带来较高的有热梯度导致的热应力。高速的腐蚀性气体也使得其服役环境更为严苛。高熔点金属是一种传统的火箭喷管材料，但金属材料的劣势也很明显，主要在于它增加了火箭发动机的重量以及它的耐高温能力较差。因此，高强、轻质的新型喷管结构材料相比于传统金属材料具有较大的优势，被认为是代替某些常规金属结构件的理想喷管材料。

C/C复合材料以碳为基体，以连续碳纤维为增强相，是一种新型结构材料，相比于石墨材料，它提高了强度与抗热震性，并具有更低的密度、较低的热膨胀系数、优异的高温性能以及良好的耐烧蚀能力。因此，C/C复合材料作为火箭发动机喷管材料具有很大的优势。然而，由于C/C复合材料不易加工成型。复杂形状的喷管难以采用C/C复合材料进行一体化成型，因此需要开发适用于C/C复合材料的连接方法，来实现复杂形状喷管的加工制造。

C/C复合材料是一种性能优异的高温结构材料。然而，由于C/C复合材料自身制备工序复杂，生产周期长、成本高昂，很大程度上制约了C/C复合材料的进一步应用；同时，C/C复合材料在航空航天和核能等领域的一些应用场合，常常需要和金属连接以满足某些性能需求。因此，将C/C复合材料应用到实际中，不可避免要涉及到连接问题。比如，通过小尺寸的C/C复合材料自身连接，可以解决直接制备形状复杂、尺寸较大的C/C复合材料的困难；将C/C复合材料与其他金属材料或非金属材料进行连接，可以得到同时具备两种材料优点又能弥补者不足的理想构件，而且还能提高生产效率、降低成本。但是，通常情况下，涉及C/C复合材料的连接，其和金属的连接都是不可回避的问题，因为实现连接的过程中，都需要C/C复合材料和金属(钎料或中间层)得到良好的界面结合。

目前，C/C复合材料的连接存在难度，其难度在于一方面是液态金属钎料对C/C复合材料表面的润湿性问题，常用钎料难以润湿C/C复合材料，而钎料在母材表面能够良好的润湿铺展是形成可靠连接的前提；另一方面是由于C/C复合材料与金属钎料或金属基体之间热膨胀系数和弹性模量存在较大差异，会在接头产生残余热应力，严重降低接头质量甚至导致连接后接头破坏开裂。

发明内容

本发明要解决现有C/C复合材料钎焊连接中，残余应力大导致可靠性低的技术问题，从而提供一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法。

一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，具体按以下步骤进行：

一、将C/C复合材料切割成厚度为2～3mm的薄片，然后用砂纸对待焊部位进行打磨，再放入丙酮溶液中进行超声清洗，得到待焊C/C复合材料；

二、将石墨烯海绵沿着平行于横截面的方向切成薄片，得到石墨烯海绵中间层；

三、在室温下将AgCuTi粉末钎料进行压片处理，得到直径为8～12mm的纽扣状钎料片；

四、将步骤二得到的石墨烯海绵中间层和步骤三得到的钎料片叠放在两片步骤一得到的待焊C/C复合材料之间进行组合装配，并用石墨块压紧，得到待焊接试样；

五、将步骤四得到的待焊接试样放入真空钎焊炉的加热台上，抽真空到5×10^-3Pa进行加热钎焊，控制钎焊温度为830℃～920℃，保温时间为10min～40min，然后以5℃/min的降温速度冷却至室温，即完成所述石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法。

步骤二中对石墨烯海绵切割时，尽量保证石墨烯海绵的完整性以及表面的平整性。

步骤四中用石墨块压紧时，确保各层相互紧密接触。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，在钎焊过程中引入石墨烯海绵作为中间层，连接方法简单有效，石墨烯海绵中间层制备工艺高效可行。通过与AgCuTi钎料发生原位反应生成在钎缝中均匀分布的TiC相，由于TiC相具有较低的线膨胀系数和较好的塑性变形能力，故能对钎缝的热膨胀系数进行调节，细化并增强钎缝基体组织，同时可以通过塑性变形缓解接头残余应力。

本发明引入石墨烯海绵作为中间层后，能够阻碍脆性Cu₂Ti在钎缝中形成，反应层连续且厚度适中，显著降低接头应力集中，从而提高所得接头的力学性能，抗剪强度可达到55MPa。

本发明方法用于C/C复合材料钎焊连接领域中。

附图说明

图1为实施例一引入石墨烯海绵中间层得到的C/C复合材料钎焊后的连接接头的微观组织背散射图片；

图2为对比试验未引入石墨烯海绵中间层得到的C/C复合材料钎焊后的连接接头的微观组织背散射图片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，具体按以下步骤进行：

一、将C/C复合材料切割成厚度为2～3mm的薄片，然后用砂纸对待焊部位进行打磨，再放入丙酮溶液中进行超声清洗，得到待焊C/C复合材料；

二、将石墨烯海绵沿着平行于横截面的方向切成薄片，得到石墨烯海绵中间层；

三、在室温下将AgCuTi粉末钎料进行压片处理，得到直径为8～12mm的纽扣状钎料片；

四、将步骤二得到的石墨烯海绵中间层和步骤三得到的钎料片叠放在两片步骤一得到的待焊C/C复合材料之间进行组合装配，并用石墨块压紧，得到待焊接试样；

五、将步骤四得到的待焊接试样放入真空钎焊炉的加热台上，抽真空到5×10^-3Pa进行加热钎焊，控制钎焊温度为830℃～920℃，保温时间为10min～40min，然后以5℃/min的降温速度冷却至室温，即完成所述石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中采用电火花线切割机对C/C复合材料进行切割。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中依次采用240#、600#和1000#砂纸对待焊部位进行打磨。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中在丙酮溶液中超声清洗20min。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中采用不锈钢刀片对石墨烯海绵进行切割。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中石墨烯海绵中间层的厚度为0.3～6mm。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中采用压片机进行压片处理。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中AgCuTi粉末钎料的质量为0.2g。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中压片时，控制施加压力为2MPa，保持2～3min。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一中将C/C复合材料切割成尺寸为5mm×5mm×3mm和10mm×10mm×3mm两片待焊C/C复合材料，步骤四中将尺寸为10mm×10mm×3mm待焊C/C复合材料、步骤二得到的石墨烯海绵中间层、步骤三得到的钎料片和尺寸为5mm×5mm×3mm待焊C/C复合材料，依次叠放进行组合装配，并用石墨块压紧。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤五中控制钎焊温度为890℃，保温时间为20min。其它与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤五中控制钎焊温度为830℃，保温时间为20min。其它与具体实施方式一至十一之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，具体按以下步骤进行：

一、采用电火花线切割机将C/C复合材料切割成尺寸为5mm×5mm×3mm和10mm×10mm×3mm两片薄片，然后依次采用240#、600#和1000#砂纸对待焊部位进行打磨，再放入丙酮溶液中进行超声清洗20min，得到待焊C/C复合材料；

二、采用不锈钢刀片将石墨烯海绵沿着平行于横截面的方向切成厚度为3mm的薄片，得到石墨烯海绵中间层；

三、采用压片机在室温下将0.2g AgCuTi粉末钎料进行压片处理，控制施加压力为2MPa，保持2min，得到直径为10mm的纽扣状钎料片；

四、将尺寸为10mm×10mm×3mm待焊C/C复合材料、步骤二得到的石墨烯海绵中间层、步骤三得到的钎料片和尺寸为5mm×5mm×3mm待焊C/C复合材料，依次叠放进行组合装配，并用石墨块压紧，得到待焊接试样；

五、将步骤四得到的待焊接试样放入真空钎焊炉的加热台上，抽真空到5×10^-3Pa进行加热钎焊，控制钎焊温度为890℃，保温时间为20min，然后以5℃/min的降温速度冷却至室温，即完成所述石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法。

本实施例引入石墨烯海绵中间层得到的C/C复合材料钎焊后的连接接头的微观组织背散射图片如图1所示；

对比实验：

本对比实验具体按以下步骤进行：

一、采用电火花线切割机将C/C复合材料切割成尺寸为5mm×5mm×3mm和10mm×10mm×3mm两片薄片，然后依次采用240#、600#和1000#砂纸对待焊部位进行打磨，再放入丙酮溶液中进行超声清洗20min，得到待焊C/C复合材料；

二、采用压片机在室温下将0.2g AgCuTi粉末钎料进行压片处理，控制施加压力为2MPa，保持2min，得到直径为10mm的纽扣状钎料片；

三、将尺寸为10mm×10mm×3mm待焊C/C复合材料、步骤二得到的钎料片和尺寸为5mm×5mm×3mm待焊C/C复合材料，依次叠放进行组合装配，并用石墨块压紧，得到待焊接试样；

四、将步骤三得到的待焊接试样放入真空钎焊炉的加热台上，抽真空到5×10^-3Pa进行加热钎焊，控制钎焊温度为890℃，保温时间为20min，然后以5℃/min的降温速度冷却至室温，完成钎焊。

本对比试验未引入石墨烯海绵中间层得到的C/C复合材料钎焊后的连接接头的微观组织背散射图片如图2所示。

通过图1和图2对比可以发现，石墨烯中间层的加入有效抑制钎缝中脆性Cu₂Ti化合物的产生，同时加入石墨烯中间层后生成的TiC条纹相具有细化钎缝组织的作用，使钎缝组织均匀化，有效改善接头性能。

利用电子万能试验机进行剪切测试，加载速度为0.5mm/min，本实施例采用石墨烯海绵中间层辅助钎焊方法所得的连接接头室温剪切强度达到55MPa。而相同参数下，未引入中间层直接钎焊所得的连接接头室温剪切强度只有35MPa。

实施例二：

本实施例一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，具体按以下步骤进行：

一、采用电火花线切割机将C/C复合材料切割成尺寸为5mm×5mm×3mm和10mm×10mm×3mm两片薄片，然后依次采用240#、600#和1000#砂纸对待焊部位进行打磨，再放入丙酮溶液中进行超声清洗20min，得到待焊C/C复合材料；

二、采用不锈钢刀片将石墨烯海绵沿着平行于横截面的方向切成厚度为3mm的薄片，得到石墨烯海绵中间层；

三、采用压片机在室温下将0.2g AgCuTi粉末钎料进行压片处理，控制施加压力为2MPa，保持2min，得到直径为10mm的纽扣状钎料片；

四、将尺寸为10mm×10mm×3mm待焊C/C复合材料、步骤二得到的石墨烯海绵中间层、步骤三得到的钎料片和尺寸为5mm×5mm×3mm待焊C/C复合材料，依次叠放进行组合装配，并用石墨块压紧，得到待焊接试样；

五、将步骤四得到的待焊接试样放入真空钎焊炉的加热台上，抽真空到5×10^-3Pa进行加热钎焊，控制钎焊温度为830℃，保温时间为20min，然后以5℃/min的降温速度冷却至室温，即完成所述石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法。

利用电子万能试验机进行剪切测试，加载速度为0.5mm/min，本实施例采用石墨烯海绵中间层辅助钎焊方法所得的连接接头室温剪切强度达到36MPa。而相同参数下，未引入中间层直接钎焊所得的连接接头室温剪切强度只有24MPa。

实施例三：

本实施例一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，具体按以下步骤进行：

一、采用电火花线切割机将C/C复合材料切割成尺寸为5mm×5mm×3mm和10mm×10mm×3mm两片薄片，然后依次采用240#、600#和1000#砂纸对待焊部位进行打磨，再放入丙酮溶液中进行超声清洗20min，得到待焊C/C复合材料；

二、采用不锈钢刀片将石墨烯海绵沿着平行于横截面的方向切成厚度为3mm的薄片，得到石墨烯海绵中间层；

三、采用压片机在室温下将0.2g AgCuTi粉末钎料进行压片处理，控制施加压力为2MPa，保持2min，得到直径为10mm的纽扣状钎料片；

四、将尺寸为10mm×10mm×3mm待焊C/C复合材料、步骤二得到的石墨烯海绵中间层、步骤三得到的钎料片和尺寸为5mm×5mm×3mm待焊C/C复合材料，依次叠放进行组合装配，并用石墨块压紧，得到待焊接试样；

五、将步骤四得到的待焊接试样放入真空钎焊炉的加热台上，抽真空到5×10^-3Pa进行加热钎焊，控制钎焊温度为890℃，保温时间为40min，然后以5℃/min的降温速度冷却至室温，即完成所述石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法。

利用电子万能试验机进行剪切测试，加载速度为0.5mm/min，本实施例采用石墨烯海绵中间层辅助钎焊方法所得的连接接头室温剪切强度达到46MPa。而相同参数下，未引入中间层直接钎焊所得的连接接头室温剪切强度只有37MPa。

Claims (10)

1.一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：

一、将C/C复合材料切割成厚度为2～3mm的薄片，然后用砂纸对待焊部位进行打磨，再放入丙酮溶液中进行超声清洗，得到待焊C/C复合材料；

二、将石墨烯海绵沿着平行于横截面的方向切成薄片，得到石墨烯海绵中间层；

三、在室温下将AgCuTi粉末钎料进行压片处理，得到直径为8～12mm的纽扣状钎料片；

四、将步骤二得到的石墨烯海绵中间层和步骤三得到的钎料片叠放在两片步骤一得到的待焊C/C复合材料之间进行组合装配，并用石墨块压紧，得到待焊接试样；

五、将步骤四得到的待焊接试样放入真空钎焊炉的加热台上，抽真空到5×10^-3Pa进行加热钎焊，控制钎焊温度为830℃～920℃，保温时间为10min～40min，然后以5℃/min的降温速度冷却至室温，即完成所述石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤一中采用电火花线切割机对C/C复合材料进行切割。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤一中依次采用240#、600#和1000#砂纸对待焊部位进行打磨。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤一中在丙酮溶液中超声清洗20min。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤二中石墨烯海绵中间层的厚度为0.3～6mm。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤三中AgCuTi粉末钎料的质量为0.2g。

7.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤三中压片时，控制施加压力为2MPa，保持2～3min。

8.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤一中将C/C复合材料切割成尺寸为5mm×5mm×3mm和10mm×10mm×3mm两片待焊C/C复合材料，步骤四中将尺寸为10mm×10mm×3mm待焊C/C复合材料、步骤二得到的石墨烯海绵中间层、步骤三得到的钎料片和尺寸为5mm×5mm×3mm待焊C/C复合材料，依次叠放进行组合装配，并用石墨块压紧。

9.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤五中控制钎焊温度为890℃，保温时间为20min。

10.根据权利要求1所述的一种石墨烯海绵中间层辅助钎焊的方法，其特征在于步骤五中控制钎焊温度为830℃，保温时间为20min。