CN110284100A - 一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法，属于复合材料与异质金属连接领域。本发明首先将Cf/SiC复合材料放置于NaOH溶液中加热腐蚀后用超声波清洗后干燥待用；在软件中设置扫面速度、扫面间距和激光功率对材料进行加工得到金属化的Cf/SiC复合材料。本发明利用激光扫描，在很高的温度使陶瓷与金属发生快速反应，或使熔融金属发生高速溅射，并在极短时间结束反应，实现高温的瞬态反应结合，在实现反应的同时不会因反应过度而形成脆性相。

Description

一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法
技术领域
一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法，属于复合材料与异质金属连接领域。
背景技术
Cf/SiC复合材料结合了碳纤维和碳化硅陶瓷的诸多优点，不但具有单相SiC陶瓷高耐磨、耐化学腐蚀、高导热性、耐高温和低线膨胀系数等一系列优异的性能，而且由于碳纤维的植入增强了SiC陶瓷基体的韧性，有效地克服了SiC陶瓷对裂纹和热震的敏感性。因此Cf/SiC复合材料在航空、航天、军工等领域具有很好的应用前景。很多的应用中，常常需要将Cf/SiC复合材料与金属材料进行连接，达到优势互补的目的，但常规的活性金属钎焊、固相扩散连接、瞬时液相连接等方法存在连接强度较低、界面反应难以控制、界面形成脆性相、界面应力大、热膨胀不匹配等急需解决的问题。
活性金属钎焊是通过钎料中的活性元素(Ti，Zr，Hf，Nb，Cr，Ta，V等)与SiC陶瓷及其复合材料的界面反应，促进钎料对其表面的润湿，从而实现SiC陶瓷及其复合材料自身或者与金属的可靠连接的焊接方法。其中，Ti是最常用的活性元素。该方法具有连接接头性能稳定、工艺简单、适用面广等优点，已成为SiC陶瓷及其复合材料连接的常用方法之一。
固相扩散连接是在一定的温度和压力下，被连接材料表面相互接触，通过使其接触面局部发生塑性变形而扩大被连接材料表面的物理接触，然后结合层原子间相互扩散而形成整体可靠连接的过程。目前，SiC陶瓷及其复合材料的固相扩散连接的研究主要集中在工艺参数(连接温度、连接压力、保温时间、中间层的确定)的优化选择、残余应力分析及接头界面组织、性能等几个方面。通常采用含Ti，Zr，Nb，Cr等活性元素的金属材料作中间层以降低连接温度、连接压力，缩短保温时间，缓解接头的残余应力。
高温自蔓延连接(SHS)是指利用SHS反应的放热及其产物来焊接受焊母材的技术。SHS连接材料的配方、压力、气氛等均易于控制，反应时间短，能显著的减少连接时间，但是反应速度太快，焊料燃烧时间难于控制，从而也就使界面反应难于控制。有人利用TiC—Ni功能梯度材料作为焊料、钨片作为中间层SHS连接SiC陶瓷和Ni基高温合金，接头的强度是SiC母材的60％。钨中间层的添加很好的改善了接头的应力分布状态，缓解了陶瓷近缝区的应力集中，提高了接头的强度。接头界面处发生了元素的互扩散，这有助于结合强度的提高。目前，SHS连接SiC陶瓷及其复合材料尚处于实验室研究阶段，缺少Cf/SiC复合材料与其他金属优良的连接方法。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法，该方法可在短时间完成反应。
本发明解决技术问题采用的技术方案包括以下步骤：
S1.将Cf/SiC复合材料放置于浓度为1-10mol/L的NaOH溶液中；
S2.将溶液加热至10-100℃，反应腐蚀1-72h；
S3.取出样品，超声波清洗，干燥待用；
S4.在光纤激光器控制软件中编辑金属区域图形；
S5.在软件中设置扫面速度为1-1000mm/s、扫面间距为0.01-1mm、激光功率为10-100％；
S6.将要金属化的Cf/SiC复合材料样品放在激光器加工平台上，其上放置厚度为0.01-0.5mm的金属箔片；
S7.调整位置焦距并进行激光加工，金属箔片在激光的作用下气化蒸发，溅射到Cf/SiC复合材料表面，得到金属化的Cf/SiC复合材料；
S8.对样品进行抛光，烘干得到终产品。
原理：本方法是申请人提出的新颖的陶瓷/金属连接方法。连接步骤示意图如图1所示，该方法的核心是利用激光扫描，在很高的温度使陶瓷与金属发生快速反应，或使熔融金属发生高速溅射，并在极短时间结束反应，实现高温的瞬态反应结合，在实现反应的同时不会因反应过度而形成脆性相。同时，接头处碳纤维增强相是Cf/SiC复合材料内部的纤维编制体的一部分，接头处碳纤维增强相与金属焊料润湿，碳纤维增强相连接复合材料与金属焊料，通过纤维增韧效应和拔出效应，达到对焊接接头增韧的目的。
有益效果：
与现有的连接技术方法相比，本方法的优势在于利用激光扫描，在很高的温度使陶瓷与金属发生快速反应，或使熔融金属发生高速溅射，并在极短时间结束反应，实现高温的瞬态反应结合，在实现反应的同时不会因反应过度而形成脆性相。同时，通过化学腐蚀，接头处碳纤维增强相是Cf/SiC复合材料内部的纤维编制体的一部分，接头处碳纤维增强相与金属焊料润湿，碳纤维增强相连接复合材料与金属焊料，通过纤维增韧效应和拔出效应，达到对焊接接头增韧的目的。
附图说明
图1为陶瓷/金属连接方法步骤图。
图2为实施例1产品的电镜图。
图3为对照例产品的电镜图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
S1.将Cf/SiC复合材料放置于浓度为1mol/L的NaOH溶液中；
S2.将溶液加热至适当温度，反应腐蚀1小时；
S3.取出样品，超声波清洗，干燥待用；
S4.在光纤激光器控制软件中编辑金属区域图形；
S5.在软件中设置扫面速度为100mm/s、激光功率为80％；
S6.将要金属化的Cf/SiC复合材料样品放在激光器加工平台上，其上放置0.01mm厚度的金属Cu箔片；
S7.调整位置焦距并进行激光加工，金属箔片在激光的作用下气化蒸发，溅射到Cf/SiC复合材料表面，得到金属化的Cf/SiC复合材料；
S8.对样品进行抛光，烘干得到终产品。
实施例2
S1.将Cf/SiC复合材料放置于浓度为3mol/L的NaOH溶液中；
S2.将溶液加热至适当温度，反应腐蚀2小时；
S3.取出样品，超声波清洗，干燥待用；
S4.在光纤激光器控制软件中编辑金属区域图形；
S5.在软件中设置扫面速度为150mm/s、激光功率70％；
S6.将要金属化的Cf/SiC复合材料样品放在激光器加工平台上，其上放置0.01mm厚度的金属Cu箔片；
S7.调整位置焦距并进行激光加工，金属箔片在激光的作用下气化蒸发，溅射到Cf/SiC复合材料表面，得到金属化的Cf/SiC复合材料；
S8.对样品进行抛光，烘干得到终产品。
实施例3
S1.将Cf/SiC复合材料放置于浓度为5mol/L的NaOH溶液中；
S2.将溶液加热至适当温度，反应腐蚀3小时；
S3.取出样品，超声波清洗，干燥待用；
S4.在光纤激光器控制软件中编辑金属区域图形；
S5.在软件中设置扫面速度为200mm/s、激光功率60％；
S6.将要金属化的Cf/SiC复合材料样品放在激光器加工平台上，其上放置0.01mm厚度的金属Cu箔片；
S7.调整位置焦距并进行激光加工，金属箔片在激光的作用下气化蒸发，溅射到Cf/SiC复合材料表面，得到金属化的Cf/SiC复合材料；
S8.对样品进行抛光，烘干得到终产品。
对照例
步骤S2中不加腐蚀液腐蚀金属，其他步骤与实施例1相同。
实施例1中腐蚀的金属如图1所示，经过腐蚀后，露出的碳纤维，对照例中的金属如图2所示，未经腐蚀，碳纤维埋在SiC机体中。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.将Cf/SiC复合材料放置于的NaOH溶液中；
S2.将溶液加热腐蚀；
S3.取出样品，超声波清洗，干燥待用；
S4.在光纤激光器控制软件中编辑金属区域图形；
S5.在软件中设置扫面速度、扫面间距和激光功率为；
S6.将要金属化的Cf/SiC复合材料样品放在激光器加工平台上，其上放置厚度为0.01-0.5mm的金属箔片；
S7.调整位置焦距并进行激光加工，得到金属化的Cf/SiC复合材料；
S8.对样品进行抛光，烘干待用。
2.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法，其特征在于，步骤S1中的NaOH溶液的浓度为1-10mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法，其特征在于，步骤S2中加热温度为10-100℃，腐蚀时间为1-72h。
4.根据权利要求1所述的一种Cf/SiC复合材料与其他金属的连接方法，其特征在于，步骤S5中扫面速度为1-1000mm/s、扫面间距为0.01-1mm、激光功率为10-100％。
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