第四章+復(fù)合材料的焊接(3)

1、第四章 復(fù)合材料的焊接第三節(jié) 陶瓷基復(fù)合材料的焊接 現(xiàn)代陶瓷具有耐高溫、耐磨性好、硬度高、耐腐蝕性好、重量輕等許多優(yōu)良的性能。 但陶瓷材料同時也具有致命的缺點，即脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對裂紋、氣孔、夾雜等細(xì)微的缺陷很敏感，這一弱點正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。 因此，陶瓷材料的韌性化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點問題。各種陶瓷韌化途徑中加入起增韌作用的第二相而制成陶瓷基復(fù)合材料是一種重要的有效的方法。延性顆粒剛性顆粒金屬顆粒，如Ni，F(xiàn)e，Co等陶瓷顆粒，如SiC，Si3N4等增韌機(jī)制：利用第二相粒子與基體晶粒之間的彈性模量與熱膨脹系數(shù)上的差異，在冷卻中

2、粒子和基體周圍形成殘余應(yīng)力場。這種應(yīng)力場與擴(kuò)展裂紋尖端交互作用，從而產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)、繞道、分支和釘扎等效應(yīng)，對基體起增韌作用。顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的效果雖然不及纖維和晶須，但由于其原料混合均一化以及燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須增強(qiáng)復(fù)合材料更簡便，且易于之輩形狀復(fù)雜的制品，因而具有廣泛的應(yīng)用價值。(1) 顆粒增強(qiáng)體顆粒增強(qiáng)體(2) 晶須增強(qiáng)體晶須增強(qiáng)體如如SiCw，(Si3N4)w，(Al2O3)w等等晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能比短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料性能優(yōu)越，它具有較好的斷裂韌性、優(yōu)異的耐高溫蠕變性能、均一的強(qiáng)度以及較高的耐磨損性和耐腐蝕性。(3) 纖維增強(qiáng)體纖維增強(qiáng)體如CF碳素纖維，GF玻

3、璃纖維，(Al2O3)f，SiCf等纖維增韌的機(jī)理在于：陶瓷受力時，由于纖維的強(qiáng)度及彈性模量高，大部分應(yīng)力由纖維承受，減輕了陶瓷的負(fù)擔(dān)；而且纖維還可以阻止裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的優(yōu)點：強(qiáng)度和斷裂韌性高，強(qiáng)度均勻，基體斷裂應(yīng)變性能好突出特點：使用溫度范圍廣和高溫強(qiáng)度高；在高溫下長時間使用時不發(fā)生蠕變，并能在溫度反復(fù)變化下保持優(yōu)異的耐沖擊性 (4) 原位生長陶瓷基復(fù)合材料。原位生長陶瓷基復(fù)合材料。 反應(yīng)合成法又稱原位生成復(fù)合法反應(yīng)合成法又稱原位生成復(fù)合法，是Koczak等首先于1989年提出，但實際上最早出現(xiàn)于1967年前蘇聯(lián)Merehanov用SHS法合成TiB2/Cu功能

4、梯度材料的研究中，隨后對于此類材料制備技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用非?；钴S。 復(fù)合材料的性能主要取決于增強(qiáng)相的形貌、尺寸、分布和體積分?jǐn)?shù)，以及基體與增強(qiáng)相之間界面的特性。 傳統(tǒng)合成技術(shù)對增強(qiáng)相的選擇及其與基體界面特性的控制方面存在許多問題，如：增強(qiáng)相顆粒尺寸不能太小、增強(qiáng)相易于偏聚、增強(qiáng)相與基體界面結(jié)合不良，在制備或高溫使用過程中易于發(fā)生界面反應(yīng)，造成性能的降低等。此外，這些合成技術(shù)往往較為復(fù)雜，成本偏高。 針對這種情況，近年來發(fā)展一種新的合成技術(shù)反應(yīng)合成或反應(yīng)合成或原位合成技術(shù)原位合成技術(shù)u與傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料相比，與傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料相比， 增強(qiáng)相由反應(yīng)合成，細(xì)小(0.

5、1-5m)且彌散均勻分布； 一般來說，增強(qiáng)相表面無污染，與基體結(jié)合良好； 增強(qiáng)相熱力學(xué)穩(wěn)定，可大幅度提高復(fù)合材料的高溫性能； 具有工藝簡便，成本低的特點，并可制得形狀復(fù)雜，尺寸大的構(gòu)件，被認(rèn)為是最有前途實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的工藝技術(shù)之一。 首先將增強(qiáng)材料摻入未固結(jié)的（或粉末狀的）基體材料中； 使基體固結(jié)。（1 1）連續(xù)纖維增強(qiáng)）連續(xù)纖維增強(qiáng)CMCCMC成型工藝成型工藝 連續(xù)纖維增強(qiáng)CMC制備方法有料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積（CVD）法、直接氧化沉積法、先驅(qū)體熱解法等。優(yōu)點優(yōu)點：比常壓燒結(jié)的燒結(jié)溫度低，時間短，致密度高；缺點缺點：生產(chǎn)效率低、工藝成本較高，纖維與基體的比例難控制，只能制備單向纖維增

6、強(qiáng)制品。料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法制備纖維增韌CMC的工藝流程料漿浸漬工藝過程料漿浸漬工藝過程具有貫通間隙的增強(qiáng)體坯件或纖維編織骨架中沉積陶瓷基體制備CMC。化學(xué)氣相沉積工藝過程原理圖。優(yōu)點優(yōu)點：纖維受到的機(jī)械、化學(xué)損傷小，可以制備多向排布和編織和復(fù)雜形狀的CMC；缺點缺點：生產(chǎn)周期長、效率低、成本高，難以制備高致密性的CMC。化學(xué)氣相沉積工藝過程原理圖化學(xué)氣相沉積工藝過程原理圖方法方法：將纖維預(yù)制體置于熔融金屬上面，添加有鎂、硅添加劑的熔融金屬鋁，在氧化氣氛中，不斷地浸漬預(yù)制體，在浸漬過程中，熔融金屬或其蒸汽與氣相氧化劑反應(yīng)生成氧化物。隨著時間的延長，邊浸漬

7、邊氧化，最終可制得纖維增強(qiáng)CMC。優(yōu)點優(yōu)點：纖維幾乎無損傷、纖維分布均勻、CMC性能優(yōu)異，工藝簡單、效率高成本低； 方法：方法：將單獨合成的先驅(qū)體，通過加溫調(diào)節(jié)其粘度，在高壓-真空聯(lián)合作用下使其浸滲進(jìn)入并充滿多向纖維編織坯件的空隙，在高溫下使先驅(qū)體熱解。熱解時低分子產(chǎn)物從坯件中逸出，留在空隙間的產(chǎn)物即形成陶瓷基體。 優(yōu)點優(yōu)點：熱解溫度熱壓燒結(jié)溫度，可減少界面的有害化學(xué)反應(yīng)；熱解在常壓下進(jìn)行，可以避免對纖維的機(jī)械損傷，可制備形狀復(fù)雜和尺寸準(zhǔn)確的制品。 缺點缺點：生產(chǎn)周期長，密度熱壓燒結(jié)（2 2）晶須（短纖維）補(bǔ)強(qiáng)）晶須（短纖維）補(bǔ)強(qiáng)CMCCMC成型工藝成型工藝 外加晶須（短切纖維）補(bǔ)強(qiáng)CMC成型

8、工藝制備過程：晶須（短切纖維）分散、晶須（短切纖維）與基體原料混合、成型燒結(jié)。成型方法：壓力滲濾法、燒結(jié)法、先驅(qū)體熱解法和化學(xué)氣相沉積法 原位生長晶須補(bǔ)強(qiáng)CMC成型工藝方法：通過化學(xué)反應(yīng)在陶瓷基體中原位生成補(bǔ)強(qiáng)組元（晶須）。（3 3）顆粒彌散型）顆粒彌散型CMCCMC的成型工藝的成型工藝基本過程：顆粒彌散型CMC的增強(qiáng)材料和基體的原料均為粉料，因此混料方法多采用球磨。 混合料干燥 先成型為坯件 燒結(jié)。燒結(jié)方法：常壓燒結(jié)工藝和反應(yīng)燒結(jié)。4 4、陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用、陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用 CMC的使用溫度：主要取決于基體特性，其工作溫度按下列基體材料依次提高： 玻璃 玻璃陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物

9、 陶瓷 其最高使用溫度可達(dá)1900。 主要應(yīng)用領(lǐng)域：刀具、滑動器件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動機(jī)構(gòu)件、能源構(gòu)件等。 應(yīng)用例應(yīng)用例 制動件：法國已將長纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制作 超高速列車的制動件，取得了傳統(tǒng)制動件所無法比擬的優(yōu)異的磨擦磨損特性； 航空航天領(lǐng)域：CMC制作的導(dǎo)彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件等也都收到了滿意的效果； 燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件：汽輪機(jī)的進(jìn)口溫度高達(dá)1400，美國、德國、瑞典等國都在開展用CMC取代高溫合金的研究 高熔點及有些陶瓷的高溫分解使熔焊困難 陶瓷的電絕緣性使之不能用電弧或電阻焊進(jìn)行連接 陶瓷的固有脆性使之無法承受焊接熱應(yīng)力 陶瓷材料的塑性韌性差使之不能施加很大的

10、壓力進(jìn)行固相連接 陶瓷的化學(xué)惰性使之不易潤濕而造成釬焊困難。1、陶瓷基復(fù)合材料的焊接性 (2)陶瓷基復(fù)合材料連接時，在選擇連接方法與材料時，要考慮 對基體材料與增強(qiáng)材料的適應(yīng)性。 (3)應(yīng)考慮避免增強(qiáng)相與基體之間的不利界面反應(yīng)，不能造成增 強(qiáng)相的氧化及性能的降低等，因此連接溫度不能太高，時間也 不能太長。 (4)由于纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的耐壓性能較差或受到限制， 連接過程中不能施加較大的壓力。2、晶須或顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料焊接的基本特點 這類復(fù)合材料的焊接類似于單質(zhì)陶瓷的焊接，一般來說，可以用焊接單質(zhì)陶瓷同樣的工藝來焊接這類復(fù)合材料。這是因為許多陶瓷材料本身都可以歸屬于廣義的復(fù)合材料；在

11、大多數(shù)情況下，復(fù)合材料的表面呈現(xiàn)其基體相的特征，由此可見，陶瓷基復(fù)合材料焊接的基本原則與陶瓷焊接的基本原則是相同的。與金屬材料不同不同的陶瓷基體具有不同的鍵合類型，例如離子鍵、共價鍵、離子鍵與共價鍵的混合形式等。焊接時往往需要暫時地或局部地破壞材料的原子鍵合，并建立起新的鍵合，因此，不同鍵合類型的陶瓷基復(fù)合材料需要采用不同的焊接方法。陶瓷基體的狀態(tài)影響焊接方法的選擇及陶瓷基體的狀態(tài)影響焊接方法的選擇及焊接難易程度。焊接難易程度。例如，陶瓷粉末成形工藝可得到兩種明顯不同的陶例如，陶瓷粉末成形工藝可得到兩種明顯不同的陶瓷狀態(tài)，即末燒結(jié)狀態(tài)和燒結(jié)狀態(tài)。一般情況下，瓷狀態(tài)，即末燒結(jié)狀態(tài)和燒結(jié)狀態(tài)。一般

12、情況下，未燒結(jié)態(tài)下粉末之間通過次級鍵結(jié)合，這種鍵合是未燒結(jié)態(tài)下粉末之間通過次級鍵結(jié)合，這種鍵合是很弱的。因此，未燒結(jié)態(tài)陶瓷基復(fù)合材料的焊接比很弱的。因此，未燒結(jié)態(tài)陶瓷基復(fù)合材料的焊接比燒結(jié)燒結(jié)(致密化致密化)態(tài)的要容易。態(tài)的要容易。因此，建議在末燒結(jié)狀因此，建議在末燒結(jié)狀態(tài)下對陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行焊接。態(tài)下對陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行焊接。5.2.3 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的焊接特點纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的焊接特點與單質(zhì)陶瓷、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料與單質(zhì)陶瓷、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的焊接具有自己的特點。相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的焊接具有自己的特點。纖維增強(qiáng)復(fù)合

13、材料具有高度的各向異性。通常需要焊纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高度的各向異性。通常需要焊接接頭盡量保持這種各向異性。當(dāng)連接面平行于纖維接接頭盡量保持這種各向異性。當(dāng)連接面平行于纖維方向時，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的焊接實際上等于基體材方向時，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的焊接實際上等于基體材料的焊接；而當(dāng)連接面與纖維方向不相平行時，則焊料的焊接；而當(dāng)連接面與纖維方向不相平行時，則焊接接頭中的纖維與纖維必須有一定量的搭接，見圖接接頭中的纖維與纖維必須有一定量的搭接，見圖6.1.由于高斷裂韌性陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)制一般由于高斷裂韌性陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)制一般為纖維拔出機(jī)制。纖維基體界面的結(jié)合強(qiáng)度為纖維拔出機(jī)制。纖維基體界面的

14、結(jié)合強(qiáng)度在很大程度決定了復(fù)合材料的性能。在很大程度決定了復(fù)合材料的性能。一般來說，弱結(jié)合較為理想。因此，焊接時不一般來說，弱結(jié)合較為理想。因此，焊接時不得用過高的溫度或過大的壓力，以免造成纖維得用過高的溫度或過大的壓力，以免造成纖維基體界面結(jié)合程度的變化，防止復(fù)合材料性基體界面結(jié)合程度的變化，防止復(fù)合材料性能降低。能降低。6.2.4 陶瓷基復(fù)合材料與金屬之間的焊接特點陶瓷基復(fù)合材料與金屬之間的焊接特點出于陶瓷基材料與金屬原子結(jié)構(gòu)之間存在本質(zhì)上出于陶瓷基材料與金屬原子結(jié)構(gòu)之間存在本質(zhì)上的差別，加上陶瓷材料本身特殊的物理化學(xué)性能，的差別，加上陶瓷材料本身特殊的物理化學(xué)性能，因此，無論是陶瓷基復(fù)合材

15、料自身焊接還是與金因此，無論是陶瓷基復(fù)合材料自身焊接還是與金屬之間的焊接都存在不少問題。屬之間的焊接都存在不少問題。陶瓷的線膨脹系數(shù)比較小，與金屬的線膨脹系數(shù)陶瓷的線膨脹系數(shù)比較小，與金屬的線膨脹系數(shù)相差較大，通過加熱方式焊接陶瓷復(fù)合材料與金相差較大，通過加熱方式焊接陶瓷復(fù)合材料與金屬時，接頭區(qū)域會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，削弱接頭的力屬時，接頭區(qū)域會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，削弱接頭的力學(xué)：性能，殘余應(yīng)力較大時還會導(dǎo)致焊接接頭的學(xué)：性能，殘余應(yīng)力較大時還會導(dǎo)致焊接接頭的斷裂破壞。陶瓷復(fù)合材料與金屬焊接中的主要問斷裂破壞。陶瓷復(fù)合材料與金屬焊接中的主要問題如下。題如下。 (1) 陶瓷基復(fù)合材料與金屬焊接過程中的熱膨脹

16、與熱應(yīng)力陶瓷基復(fù)合材料與金屬焊接過程中的熱膨脹與熱應(yīng)力 陶瓷基復(fù)合材料與金屬的化學(xué)成分和物理性能有很大差陶瓷基復(fù)合材料與金屬的化學(xué)成分和物理性能有很大差別，特別是線膨脹系數(shù)差異很大。此外，陶瓷基復(fù)合材料別，特別是線膨脹系數(shù)差異很大。此外，陶瓷基復(fù)合材料的彈性模量也很高。在焊接加熱和冷卻過程中陶瓷基復(fù)合的彈性模量也很高。在焊接加熱和冷卻過程中陶瓷基復(fù)合材料、金屬各自產(chǎn)生差異較大的膨脹和收縮，在接頭的界材料、金屬各自產(chǎn)生差異較大的膨脹和收縮，在接頭的界面附近產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，以致造成接頭面附近產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，以致造成接頭產(chǎn)生裂紋。一般是在焊接接頭的陶瓷基復(fù)合材料一側(cè)產(chǎn)生產(chǎn)生裂紋。一般是在焊接接頭

17、的陶瓷基復(fù)合材料一側(cè)產(chǎn)生裂紋并引發(fā)斷裂裂紋并引發(fā)斷裂與陶瓷基復(fù)合材料焊接的金屬或用做中間層的金與陶瓷基復(fù)合材料焊接的金屬或用做中間層的金屬主要有鋼、鎳、銅鎳合金、鎢、銅、袒、鈮、屬主要有鋼、鎳、銅鎳合金、鎢、銅、袒、鈮、鋯、鈦、膨脹合合金等。除鋯、鈦、膨脹合合金等。除般要求外，對于這些般要求外，對于這些金屬的主要要求是線膨脹系數(shù)與陶瓷基體相近，金屬的主要要求是線膨脹系數(shù)與陶瓷基體相近，并且在構(gòu)件制造和工作過程中不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)并且在構(gòu)件制造和工作過程中不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，以免引起線膨脹系數(shù)的突變，破壞陶瓷基復(fù)變，以免引起線膨脹系數(shù)的突變，破壞陶瓷基復(fù)合材料與金屬的匹配關(guān)系而導(dǎo)致連接失敗。合材料

18、與金屬的匹配關(guān)系而導(dǎo)致連接失敗。 陶瓷材料主要含有離子鍵或共價鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)陶瓷材料主要含有離子鍵或共價鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位，很難被金屬鍵的金屬釬料潤濕，所定的電子配位，很難被金屬鍵的金屬釬料潤濕，所以用通常的熔焊方法使金屬與陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)生以用通常的熔焊方法使金屬與陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)生熔合是很困難的。熔合是很困難的。用金屬釬料釬焊陶瓷材料時，可以對陶瓷表面先進(jìn)用金屬釬料釬焊陶瓷材料時，可以對陶瓷表面先進(jìn)行金屬化處理、對被焊陶瓷的表面改性，或是在釬行金屬化處理、對被焊陶瓷的表面改性，或是在釬料中加入活性元素，位釬料與陶瓷之間有化學(xué)反應(yīng)料中加入活性元素，位釬料與陶瓷之間有化學(xué)反應(yīng)發(fā)個，通過反應(yīng)使陶瓷的表面分解形成新相，產(chǎn)生發(fā)個，通過反應(yīng)使陶瓷的表面分解形成新相，產(chǎn)生化學(xué)吸附機(jī)制。這樣才化學(xué)吸附機(jī)制。這樣才“能形成結(jié)合牢固的