專利名稱：焊接復(fù)合材料部件的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及把熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料特別是陶瓷基體復(fù)合(CMC)材料硬焊在一起的方法。
CMC材料通常由用陶瓷基體硬化而成的多孔基片構(gòu)成，例如多孔纖維基片?；w維可以是碳纖維或陶瓷纖維?；w是難熔的陶瓷制品，例如難熔的碳化物，氮化物，硼化物或氧化物。CMC材料的卓越的力學(xué)性能使得它們適合構(gòu)成結(jié)構(gòu)部件，并能在高溫下保持這些性能，例如C/SiC(碳纖維筋和碳化硅基體)復(fù)合材料。
當(dāng)用陶瓷基體復(fù)合材料制造結(jié)構(gòu)時(shí)，通常把由CMC材料制成的獨(dú)立元件通過(guò)硬焊裝配在一起來(lái)形成。然而，硬焊陶瓷基體復(fù)合材料在技術(shù)上是困難的。這些材料表面很粗糙，并且它們包括氧化物相。硬焊結(jié)合僅僅使氧化物相除去。為了這個(gè)目的，通常的做法是使用硅基的硬焊合金或復(fù)合材料，其要求在高于1200℃的溫度下進(jìn)行熱處理。然而，在這樣的溫度及以上，除去存在于材料中的氧化物相會(huì)導(dǎo)致氣態(tài)物質(zhì)的形成。


圖1是具有表面S1和S2的由CMC復(fù)合材料制成的兩個(gè)部件1和2待通過(guò)常規(guī)的硬焊技術(shù)裝配在一起的簡(jiǎn)圖，也就是說(shuō)，通過(guò)在待連接的兩個(gè)部件的表面之間插入固體硬焊劑層3。然后，如圖2所示，固體硬焊劑層3被通過(guò)熱處理熔化以便形成將兩個(gè)部件的表面S1和S2連接在一起的硬焊結(jié)合31。但是，用這種硬焊技術(shù)，由釋放氧的材料放出的氣態(tài)物質(zhì)被捕獲在硬焊結(jié)合部?jī)?nèi)，其導(dǎo)致硬焊結(jié)合部多孔，在硬焊結(jié)合部?jī)?nèi)局部殘存著兩表面之間沒有硬焊的部分4。如圖3所示，其示出了用上述標(biāo)準(zhǔn)硬焊方法所得到的硬焊結(jié)合的狀態(tài)，這種材料的缺少致使兩個(gè)部件之間的連接存在缺陷，進(jìn)而降低裝配質(zhì)量。在圖3中，可以看到由于在硬焊劑中殘存氣態(tài)物質(zhì)的穴而使硬焊劑的分布不均勻，因此減弱了由此形成的連接。
那些結(jié)果可以被改善，特別是通過(guò)仔細(xì)地控制溫度升高過(guò)程中的暫停，以便在達(dá)到硬焊溫度前完成排出氧的暫停?？?jié)駝┮部梢员挥糜凇捌仁埂庇埠竸┩ㄟ^(guò)結(jié)合。圖4A和4B(圖4A中的IVB部分)示出了在兩個(gè)CMC部件之間獲得的硬焊結(jié)合。例如，可以看到結(jié)合的質(zhì)量相比于圖3有明顯的改善。然而，即使用這種改善了的硬焊控制方法，仍然保留一些導(dǎo)致硬焊結(jié)合缺陷的穴。
另外，這些硬焊技術(shù)不能控制硬焊結(jié)合的厚度。即使對(duì)于已被重疊的對(duì)接平面(docking plane)，由于在熱處理過(guò)程中硬焊劑不能均勻分布，使得最終的硬焊結(jié)合的厚度也可以改變。當(dāng)對(duì)接平面不規(guī)則時(shí)，硬焊結(jié)合厚度的這種變化進(jìn)一步加劇(圖2中的厚度e1和e2)。
本發(fā)明的目的和概要本發(fā)明的目的是提供一種能通過(guò)硬焊使部件被裝配在一起而無(wú)上述缺陷的方法，特別地是能夠排出在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)，同時(shí)也可以控制硬焊結(jié)合的厚度以及所述結(jié)合和被硬焊的表面之間的接觸。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，將襯墊插入待被連接在一起的部件的兩個(gè)表面之間，所述襯墊由難熔的纖維組織構(gòu)成，且至少部分與硬焊劑接觸，并且進(jìn)行熱處理來(lái)液化硬焊劑，以便使熔化的硬焊劑通過(guò)毛細(xì)管作用分布在被襯墊所覆蓋的兩個(gè)部件之間的整個(gè)硬焊區(qū)域內(nèi)。
因此，襯墊的纖維組織中的孔隙用于使硬焊劑通過(guò)毛細(xì)管作用覆蓋由襯墊覆蓋的整個(gè)表面，同時(shí)有利于在溫度上升過(guò)程中排出產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)。
除此之外，使用這樣的襯墊使得硬焊結(jié)合的最終厚度可以被控制。通過(guò)選擇襯墊的厚度，可以以可重復(fù)的和精確的方式控制硬焊結(jié)合的最終厚度。由于它的適應(yīng)性，即使用于硬焊在一起的表面不規(guī)則，此襯墊也可以控制所述表面的接觸。這樣硬焊結(jié)合和硬焊表面之間連續(xù)接觸，使得部件之間的連接均勻且質(zhì)量好。
襯墊可以由包括碳纖維或碳前體(carbon-precursor)纖維或陶瓷纖維的組織構(gòu)成，其中陶瓷可以是碳化硅(SiC)。
本發(fā)明的一方面，在用于硬焊的部件被對(duì)接在一起的區(qū)域之外，硬焊劑與襯墊的至少一部分接觸。在溫度上升過(guò)程中，為了在被襯墊覆蓋的整個(gè)區(qū)域上硬焊，熔化的硬焊劑在部件的表面之間靠毛細(xì)管作用被傳送。
襯墊可以被切割成用于硬焊在一起的部件表面的形狀和大小。其很容易被控制并能夠與用于硬焊在一起的部件的任何形狀相匹配。因此，希望形成硬焊結(jié)合的區(qū)域可以很容易預(yù)先被確定為通過(guò)襯墊所覆蓋的區(qū)域。然后可以形成在所有類型的表面上堅(jiān)固的硬焊結(jié)合，并且可以以精確和可重復(fù)的方式實(shí)現(xiàn)。
附圖簡(jiǎn)述參考附圖，本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點(diǎn)從本發(fā)明下面的特殊實(shí)施方式的描述中可以看出來(lái)，特殊實(shí)施方式作為非限制性的例子，其中圖1是采用現(xiàn)有技術(shù)將兩個(gè)陶瓷基體復(fù)合材料部件硬焊在一起的簡(jiǎn)圖；圖2是通過(guò)把圖1中的兩個(gè)部件硬焊在一起所得到的結(jié)果的簡(jiǎn)圖3是采用現(xiàn)有技術(shù)所得到的硬焊結(jié)合的剖視圖；圖4A和4B示出采用現(xiàn)有硬焊方法所得到的硬焊結(jié)合；圖5是顯示實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的連續(xù)步驟的流程圖；圖6顯示根據(jù)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，使用干襯墊實(shí)現(xiàn)硬焊操作的圖；圖7顯示把圖6的兩個(gè)部件硬焊在一起之后所得到的結(jié)果圖；圖8A和8B顯示使用本發(fā)明的硬焊方法所得到的硬焊結(jié)合；圖9A，9B和9C顯示怎樣根據(jù)本發(fā)明的方法通過(guò)將兩個(gè)部件硬焊在一起形成熱交換器結(jié)構(gòu)的一部分；和圖10顯示將平面部件和蜂巢形部件裝配在一起的例子。
實(shí)施方式的詳細(xì)描述本發(fā)明通過(guò)硬焊把部件裝配在一起的方法適用于由任何熱結(jié)構(gòu)陶瓷基體復(fù)合(CMC)材料制成的部件，也就是說(shuō)，任何由難熔的纖維筋(碳纖維或陶瓷纖維)組成的材料，例如C/SiC，SiC/SiC，C/C-SiC材料等等，難熔的纖維筋被也難熔的陶瓷基體硬化。本方法也適用于其它類型的在硬焊過(guò)程中容易釋放氣態(tài)物質(zhì)的材料，例如C/C材料或獨(dú)石陶瓷(monolithic ceramic)。
參考圖5和6，實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法通過(guò)硬焊把由CMC材料制成的兩個(gè)部件10和20裝配在一起，該方法包括下面的步驟。
如圖6所示，第一步(步驟S1)在于，在由CMC材料制成的第一個(gè)部件10的表面S10和同樣由CMC材料制成的第二個(gè)部件20的表面S20之間設(shè)置由碳纖維或碳前體纖維組織構(gòu)成的“干”(也就是非浸透的)襯墊30。通常，可以通過(guò)采用任何類型的由碳纖維或碳前體纖維或陶瓷纖維，例如SiC纖維，形成的組織來(lái)制造本發(fā)明的硬焊襯墊，該類組織靠毛細(xì)管作用傳送硬焊劑，且其具有足夠的空隙率以排出產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)。作為例子，此襯墊可以為墊子(也就是大批的成團(tuán)纖維)的形式，可以為針扎氈，機(jī)織物，氈制品，二維(2D)組織，單向或多向薄片等等。
可選擇地(步驟S2)，可以在部件的那些不被硬焊的區(qū)域(例如，不被襯墊所覆蓋的正面和端面)放置抗?jié)駝?，以便控制焊劑使其只弄濕覆蓋部件的被硬焊的那些區(qū)域的襯墊。例如所使用的抗?jié)駝┛梢杂梢詺馊苣z的形式封裝的氮化硼(BN)組成，通常所說(shuō)的“阻流”產(chǎn)品例如由供應(yīng)商Wesgo Metals出售的抗?jié)駝㏒topyt或由供應(yīng)商Wall Colmonoy Limited配銷的Nicrobraz產(chǎn)品。
下一步(步驟S3)在于，使硬焊劑40與襯墊30在兩個(gè)部件之間超出對(duì)接平面的一個(gè)(或更多)部分接觸。作為例子，硬焊劑可以由硅復(fù)合物或硅基復(fù)合物組成，例如專利申請(qǐng)EP0806402或US5975407中所述的那些，硅和金屬硅化物合金，硅和可選的合金鍺或商標(biāo)名為Cusil-ABA，Ticusil，Incusil或Brasic的已知的金屬?gòu)?fù)合物。特殊情況下，根據(jù)與部件材料的兼容性來(lái)選擇硬焊劑，也就是說(shuō)，優(yōu)選不與該材料反應(yīng)的復(fù)合物或以受控的方式與其反應(yīng)的復(fù)合物。
此后，溫度升高直到硬焊劑40變成液體，于是其靠毛細(xì)管作用吸入襯墊30并分布在被襯墊覆蓋的兩個(gè)部件之間的整個(gè)硬焊區(qū)域(步驟S4)。在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)通過(guò)襯墊的孔隙被排出，因此防止氣穴在硬焊結(jié)合中形成。穿過(guò)襯墊的硬焊劑將穿過(guò)襯墊的孔隙的氣態(tài)物質(zhì)向后推至襯墊的端部，在此被排出。
如圖7中所示，由此得到的硬焊結(jié)合41連續(xù)地與兩個(gè)部件的表面S10和S20接觸。另外，通過(guò)使用本發(fā)明的襯墊，硬焊結(jié)合的最終厚度可以被控制。根據(jù)本發(fā)明的方法，在部件被硬焊在一起的表面之間插入纖維組織襯墊。繼而，所使用的襯墊的厚度確定了這些表面之間的間隙，其中襯墊形成最終硬焊結(jié)合的整體部分。因此，硬焊結(jié)合的最終厚度可以由所選擇使用的襯墊厚度決定。
此外，使用這樣的襯墊即使對(duì)接平面不規(guī)則也可以保證硬焊結(jié)合的某一最小厚度。正如圖6所看到的，表面S10和S20彼此離開襯墊30所界定的最小距離d。依據(jù)表面上存在的不規(guī)則的大小，兩個(gè)表面之間的空間離開這個(gè)最小距離一些。因此，依靠襯墊的厚度，也可依靠它的可壓縮性，可以獨(dú)立于待被連接在一起的部件表面的狀態(tài)，在一開始確定硬焊結(jié)合的最小厚度，在硬焊之后可以保持該厚度(圖7中的距離d)。
由于它的柔性，襯墊與所述表面粗糙的形狀相匹配，因此可以控制與待被硬焊在一起的表面的接觸，并在被硬焊在一起的整個(gè)表面上形成連續(xù)的硬焊結(jié)合。
圖8A和8B(圖8A中的VIIIB截面)顯示了由上述方法獲得的硬焊結(jié)合60，其用來(lái)把由CMC材料制成的兩個(gè)部件61和62連接在一起。所使用的襯墊由碳纖維墊組成?？梢钥吹皆诮Y(jié)合中沒有束縛著殘留氣穴，同時(shí)在結(jié)合中存在與硬焊劑和襯墊中的碳之間發(fā)生反應(yīng)形成的SiC顆粒相對(duì)應(yīng)的黑點(diǎn)。硬焊結(jié)合60的厚度e在它的整個(gè)長(zhǎng)度上都是均勻的。
根據(jù)本發(fā)明使用襯墊的優(yōu)點(diǎn)是形成硬焊劑的擴(kuò)散介質(zhì)，其很容易適應(yīng)任何形狀的部件。襯墊是可變形的，且容易被切掉。因此，可以把它切割成待被硬焊在一起的表面的尺寸和形狀，并且它可以適應(yīng)部件的三維形狀(非平面部件)。
圖9A，9B和9C顯示通過(guò)把兩個(gè)由CMC材料制成的面板110和120(圖9A)裝配在一起制成一個(gè)結(jié)構(gòu)的例子，并且特別形成熱交換器結(jié)構(gòu)100(圖9C)的一部分，這種熱交換器結(jié)構(gòu)用在通過(guò)流體流動(dòng)進(jìn)行冷卻的推力噴管的分叉部分的壁中。
面板110和120中的每一個(gè)上有槽或凹進(jìn)111a，111b，111c，和121a，121b，121c，其形成用于冷卻此結(jié)構(gòu)的流體流動(dòng)槽。凹進(jìn)111a-111c和121a-121c分別在面板110和120的每一個(gè)面板上界定兩個(gè)獨(dú)立的硬焊表面(110a和110b在面板110上，120a和120b在面板120上)。
根據(jù)本發(fā)明，干襯墊130插入面板的待被連接在一起形成流體流路的表面之間。如圖9B所示，襯墊130由若干部分130a，130b，130c和130d形成，部分130a，130b，130c和130d被切割成待被連接在一起的面板部分的尺寸和形狀。
如圖9B所示，兩個(gè)面板表面被連接在一起，襯墊130的部分130a-130d被插入靠著接觸區(qū)域，并且每一部分有一端浸沒在裝有硬焊劑140的坩堝141中。此后，升高溫度直到硬焊劑140變成液體，其靠毛細(xì)管作用由襯墊130的部分130a-130d吸入，并且遍布在被襯墊覆蓋的兩個(gè)部件之間的整個(gè)硬焊區(qū)域。
如圖9C所示，這制造出具有通過(guò)硬焊結(jié)合131彼此分開的流體流動(dòng)槽150的結(jié)構(gòu)100，硬焊結(jié)合131僅存在于被襯墊130的部分130a-130d所覆蓋的那些區(qū)域。
本發(fā)明的硬焊方法特別適合于把具有復(fù)雜和/或不均一形狀的部件裝配在一起。如圖10所示，例如，很容易把實(shí)心部件220和具有蜂巢狀或華夫餅形狀的部件210裝配在一起，而且部件210包括若干單元格211。用標(biāo)準(zhǔn)硬焊方法，硬焊這樣的部件特別困難，因?yàn)樵趯?shí)心部件220和單元格211的底邊之間均勻地放置硬焊劑是困難的，部件210只有該底邊部分能夠被連接在部件220上。用本發(fā)明的方法，通過(guò)使用干襯墊230使由硬焊完成的裝配操作變得更簡(jiǎn)單，可以在單元格211的周圍和/或內(nèi)部不精確地放置固體硬焊劑240，然后在溫度升高過(guò)程中，襯墊230用于在部件210和220之間的所有接觸區(qū)域上均勻地分布硬焊劑，也就是說(shuō)，在單元格211側(cè)面的底邊和部件220的表面之間。
權(quán)利要求
1.一種將兩個(gè)部件(10，20)硬焊在一起的方法，其特征在于，在待被連接在一起的部件的兩個(gè)表面(S10，S20)之間插入襯墊(30)，所述襯墊由難熔纖維組織形成，且至少部分地與硬焊劑(40)接觸，進(jìn)行熱處理使硬焊劑(40)熔化，以便使熔化的硬焊劑靠毛細(xì)管作用分布在被襯墊(30)所覆蓋的兩個(gè)部件(10，20)之間的整個(gè)硬焊區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，兩個(gè)部件(10，20)中的至少一個(gè)由陶瓷基體復(fù)合材料，或C/C復(fù)合材料，或獨(dú)石陶瓷材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述襯墊(30)由包含碳纖維的組織形成，或由碳前體材料纖維或陶瓷纖維形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3之一的方法，其特征在于，硬焊劑(40)與襯墊(30)的至少一部分接觸，此部分在待被硬焊在一起的部件的表面(S10，S20)的對(duì)接區(qū)域之外。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，硬焊劑(140)被置于坩堝(141)中，在熱處理過(guò)程中，硬焊劑通過(guò)位于待被連接在一起的部件(110，120)的表面(110b，120b)之間的襯墊(130)靠毛細(xì)管作用傳送。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5之一的方法，其特征在于，根據(jù)待形成的硬焊結(jié)合的厚度選擇襯墊(30；130)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6之一的方法，其特征在于，所述襯墊(30；130)被切割成用于硬焊在一起的部件表面的尺寸和形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7之一的方法，其特征在于，在熱處理步驟之前，把抗?jié)駝┩糠笤诓考哪切┎淮挥埠冈谝黄鸬牟糠帧?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求1～8之一的方法，其特征在于，用于裝配在一起的兩個(gè)部件(210，220)中的一個(gè)(210)呈蜂巢形或華夫餅形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9之一的方法，其特征在于，硬焊劑(40；140；240)是硅復(fù)合材料或硅基復(fù)合材料，或硅合金基復(fù)合材料，或金屬?gòu)?fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及將兩個(gè)部件(10，20)硬焊在一起的方法，其特征在于，在被連接在一起的部件的兩個(gè)表面(S10，S20)之間插入襯墊(30)，所述襯墊由難熔纖維組織形成，且至少部分地與硬焊劑(40)接觸，進(jìn)行熱處理使硬焊劑(40)液化，以便使熔化的硬焊劑靠毛細(xì)管作用分布在被襯墊(30)所覆蓋的兩個(gè)部件(10，20)之間的整個(gè)硬焊區(qū)域。
文檔編號(hào)B23K1/08GK1988977SQ200580024254
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者埃里克·布永, 塞巴斯蒂安·日默內(nèi), 雅克·泰博 申請(qǐng)人:Snecma固體燃料推進(jìn)器公司