/Al復(fù)合材料與TiAl的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(即Cf/Al復(fù)合材料)是由連續(xù)的碳纖維增強(qiáng)體和鋁基體組成，密度約為2.19g/cm3，低于鋁合金的密度，但其彈性模量和軸向抗拉強(qiáng)度卻比鋁合金高出I?3倍，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型結(jié)構(gòu)材料。同時(shí)Cf/Al復(fù)合材料還具有很低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，能在潮濕和輻射環(huán)境下保持良好的尺寸穩(wěn)定性，因此被認(rèn)為是航空飛行器和衛(wèi)星天線的首選材料。TiAl合金同樣作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料，在航空航天領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，不可避免的會(huì)涉及二者的連接問(wèn)題。同時(shí)，C/A1復(fù)合材料與TiAl合金的連接可以拓寬二者的應(yīng)用范圍，取長(zhǎng)補(bǔ)短，因此具有重要的意義。
[0003]然而，由于Cf/Al復(fù)合材料與TiAl合金在物理化學(xué)性能方面的巨大差異，二者的連接較為困難。TiAl合金熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于Cf/Al復(fù)合材料，常用的焊接方法必須加熱到很高的溫度，此時(shí)Cf/Al復(fù)合材料中碳纖維和鋁基體間發(fā)生界面反應(yīng)4A1+3C = Al4C3O在Cf/Al復(fù)合材料中生成大量的脆性Al4C3，嚴(yán)重破壞了母材的性能。采用擴(kuò)散焊進(jìn)行連接時(shí)，雖然加熱溫度較低，但是需要施加很高的壓力，同樣會(huì)破壞Cf/Al復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合，造成母材的性能下降。釬焊連接時(shí)，可以選用熔點(diǎn)較低的鋁基釬料，但是由于釬縫中缺少增強(qiáng)相，獲得的接頭性能較低，不能完全發(fā)揮Cf/Al復(fù)合材料的性能優(yōu)點(diǎn)。專利CN102689096A公布了一種采用激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，并采用T1-Al-C作為放熱中間層，但由于T1、Al、C之間的反應(yīng)過(guò)于微弱，接頭中殘留有大量金屬顆粒，接頭強(qiáng)度較低。專利CN103586582A、CN103600169A公布了激光引燃自蔓延連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法，分別選用N1-Al+AgCuTi和N1-Al-Ti作為中間層，接頭中生成了大量的脆性金屬間化合物，與兩側(cè)母材的物理化學(xué)性能差異明顯，接頭強(qiáng)度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是要解決目前連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl時(shí)常規(guī)焊接方法加熱溫度過(guò)高、壓力過(guò)大等問(wèn)題導(dǎo)致Cf/Al復(fù)合材料中碳纖維和鋁基體間發(fā)生嚴(yán)重界面反應(yīng)、界面結(jié)合受到破壞、惡化母材性能，常規(guī)自蔓延連接使接頭中產(chǎn)生大量脆性化合物，強(qiáng)度較低的技術(shù)問(wèn)題，提出了一種特種連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法。
[0005]本發(fā)明的一種特種連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法是按以下步驟性的:
[0006]一、按重量份數(shù)將45份?50份的鈦粉、35份?40份的鋁粉和15份?20份的硼粉混合均勻，得到混合粉體，將混合粉體置于球磨罐內(nèi)，放入磨球，在氬氣保護(hù)和轉(zhuǎn)速為300r/min?500r/min的條件下球磨2h?3h，得到混合粉末；所述的磨球與混合粉體的質(zhì)量比為5:1 ；
[0007]二、將步驟一得到的混合粉末壓制成相對(duì)密度為60%?80%且厚度為Imm?2mm的中間層壓坯，密封保存；
[0008]三、將Cf/Al復(fù)合材料和TiAl的表面用#200、#400、#600和#800的砂紙逐層打磨，
將打磨后的Cf/Al復(fù)合材料與TiAl放入丙酮中超聲清洗5min，取出后用電吹風(fēng)吹干，分別得到干燥的Cf/Al復(fù)合材料與TiAl ；
[0009]四、將步驟二密封保存的中間層壓坯置于步驟三得到的干燥的Cf/Al復(fù)合材料與TiAl之間，裝配成“三明治”式裝配件，對(duì)“三明治”式裝配件施加2MPa的壓力，將激光的光斑對(duì)準(zhǔn)中間層壓坯進(jìn)行引燃，待中間層壓坯引燃后，立即關(guān)閉激光器，即完成特種連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法；所述的激光的功率為100W。
[0010]本發(fā)明采用激光引燃中間層壓坯，利用Al-T1-B中間層壓坯自蔓延反應(yīng)放出的熱量使兩側(cè)母材(Cf/Al和TiAl)局部熔化，在常溫條件下實(shí)現(xiàn)Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的連接。本發(fā)明中的中間層壓坯燃燒放熱主要來(lái)源于Ti粉與B粉間的反應(yīng):Ti+B — TiB2。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，中間層壓坯受到激光的加熱，Al粉首先熔化并包裹在Ti粉和B粉周圍，Al與Ti之間發(fā)生放熱反應(yīng):A1+Ti — T1-Al，生成熔融的產(chǎn)物并使中間層溫度升高，進(jìn)而誘發(fā)反應(yīng):B+T1-Al — TiB2+Al，生成最終產(chǎn)物TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。Al-T1-B中間層中的Al雖然最后仍以單質(zhì)Al的形式保留下來(lái)，但是它反應(yīng)過(guò)程中作為中間媒介，使Ti和B間的反應(yīng)變的容易。由于Ti與B間的反應(yīng)(Ti+B — TiB2)的化學(xué)激活能很高，因此需要對(duì)其加熱到很高溫度才能誘發(fā)反應(yīng)。本發(fā)明中通過(guò)Al的加入，Al與Ti反應(yīng)生成熔融的中間相(T1-Al化合物)，大大提高了 Ti和B原子的活性，促進(jìn)了 Ti與B的完全反應(yīng)。同時(shí)Al在中間層產(chǎn)物中作為基體相，在反應(yīng)過(guò)程中能起到填充孔隙的作用，提高接頭的致密度。Al-T1-B中間層反應(yīng)原位合成的TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與C f/Al復(fù)合材料、TiAl合金具有良好的物理化學(xué)相容性，其線膨脹系數(shù)介于Cf/Al復(fù)合材料和TiAl合金之間，可以有效的緩解線膨脹系數(shù)差異所帶來(lái)的殘余應(yīng)力，提高接頭的性能。同時(shí)，Al-T1-B中間層的放熱為局部放熱，僅在界面附近對(duì)母材進(jìn)行加熱，不會(huì)破壞Cf/Al復(fù)合材料，很好地保持了母材的優(yōu)良特性。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0012]一、相對(duì)于傳統(tǒng)的焊接方法，本發(fā)明方法不需要整體加熱，在常溫下用激光引燃中間層自蔓延反應(yīng)后完成，連接效率較高；
[0013]二、本發(fā)明方法不需要對(duì)母材加熱到很高的溫度以及施加很大的壓力，母材僅局部短暫受熱，不會(huì)破壞Cf/Al復(fù)合材料，能很好保持母材的優(yōu)良特性；
[0014]三、采用本發(fā)明方法進(jìn)行Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的連接，中間層完全反應(yīng)并原位合成1182顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，與Cf/Al復(fù)合材料、TiAl合金具有良好的物理化學(xué)相容性，其線膨脹系數(shù)介于Cf/Al復(fù)合材料和TiAl合金之間，可以有效地緩解線膨脹系數(shù)差異所帶來(lái)的殘余應(yīng)力，提高接頭的性能；
[0015]四、本發(fā)明方法連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl，中間層與兩側(cè)母材達(dá)到良好的冶金結(jié)合，能獲得性能良好的接頭，接頭強(qiáng)度可達(dá)76.85MPa。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明的特種連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法示意圖；
[0017]圖2是試驗(yàn)一完成特種連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法的接頭的SEM圖，區(qū)域A為TiAl，區(qū)域B為中間層壓坯引燃后的產(chǎn)物，區(qū)域C為Cf/Al復(fù)合材料。
【具體實(shí)施方式】
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式是一種特種連接Cf/Al復(fù)合材料與TiAl的方法，具體是按以下步驟性的:
[0019]—、按重量份數(shù)將45份?50份的鈦粉、35份?40份的鋁粉和15份?20份的硼粉混合均勻，得到混合粉體，將混合粉體置于球磨罐內(nèi)，放入磨球，在氬氣保護(hù)和轉(zhuǎn)速為300r/min?500r/min的條件下球磨2h?3h，得到混合粉末；所述的磨球與混合粉體的質(zhì)量比為5:1 ；
[0020]二、將步驟一得到的混合粉末壓制成相對(duì)密度為60%?80%且厚度為Imm?2