第四章+复合材料的焊接(3).

1、第四章 复合材料的焊接第三节 陶瓷基复合材料的焊接 现代陶瓷具有耐高温、耐磨性好、硬度高、耐腐蚀性好、重量轻等许多优良的性能。 但陶瓷材料同时也具有致命的缺点，即脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔、夹杂等细微的缺陷很敏感，这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。 因此，陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。各种陶瓷韧化途径中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料是一种重要的有效的方法。延性颗粒刚性颗粒金属颗粒，如Ni，Fe，Co等陶瓷颗粒，如SiC，Si3N4等增韧机制：利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量与热膨胀系数上的差异，在冷却中

2、粒子和基体周围形成残余应力场。这种应力场与扩展裂纹尖端交互作用，从而产生裂纹偏转、绕道、分支和钉扎等效应，对基体起增韧作用。颗粒增强陶瓷基复合材料的效果虽然不及纤维和晶须，但由于其原料混合均一化以及烧结致密化都比短纤维及晶须增强复合材料更简便，且易于之辈形状复杂的制品，因而具有广泛的应用价值。(1) 颗粒增强体颗粒增强体(2) 晶须增强体晶须增强体如如SiCw，(Si3N4)w，(Al2O3)w等等晶须增强陶瓷基复合材料的性能比短纤维增强陶瓷基复合材料性能优越，它具有较好的断裂韧性、优异的耐高温蠕变性能、均一的强度以及较高的耐磨损性和耐腐蚀性。(3) 纤维增强体纤维增强体如CF碳素纤维，GF玻

3、璃纤维，(Al2O3)f，SiCf等纤维增韧的机理在于：陶瓷受力时，由于纤维的强度及弹性模量高，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷的负担；而且纤维还可以阻止裂纹扩展，起到增韧的作用纤维增强陶瓷复合材料的优点：强度和断裂韧性高，强度均匀，基体断裂应变性能好突出特点：使用温度范围广和高温强度高；在高温下长时间使用时不发生蠕变，并能在温度反复变化下保持优异的耐冲击性 (4) 原位生长陶瓷基复合材料。原位生长陶瓷基复合材料。 反应合成法又称原位生成复合法反应合成法又称原位生成复合法，是Koczak等首先于1989年提出，但实际上最早出现于1967年前苏联Merehanov用SHS法合成TiB2/Cu功能

4、梯度材料的研究中，随后对于此类材料制备技术的研究和开发应用非常活跃。 复合材料的性能主要取决于增强相的形貌、尺寸、分布和体积分数，以及基体与增强相之间界面的特性。 传统合成技术对增强相的选择及其与基体界面特性的控制方面存在许多问题，如：增强相颗粒尺寸不能太小、增强相易于偏聚、增强相与基体界面结合不良，在制备或高温使用过程中易于发生界面反应，造成性能的降低等。此外，这些合成技术往往较为复杂，成本偏高。 针对这种情况，近年来发展一种新的合成技术反应合成或反应合成或原位合成技术原位合成技术u与传统的外加增强相的金属基复合材料相比，与传统的外加增强相的金属基复合材料相比， 增强相由反应合成，细小(0.

5、1-5m)且弥散均匀分布； 一般来说，增强相表面无污染，与基体结合良好； 增强相热力学稳定，可大幅度提高复合材料的高温性能； 具有工艺简便，成本低的特点，并可制得形状复杂，尺寸大的构件，被认为是最有前途实现产业化的工艺技术之一。 首先将增强材料掺入未固结的（或粉末状的）基体材料中； 使基体固结。（1 1）连续纤维增强）连续纤维增强CMCCMC成型工艺成型工艺 连续纤维增强CMC制备方法有料浆浸渍及热压烧结法、化学气相沉积（CVD）法、直接氧化沉积法、先驱体热解法等。优点优点：比常压烧结的烧结温度低，时间短，致密度高；缺点缺点：生产效率低、工艺成本较高，纤维与基体的比例难控制，只能制备单向纤维增

6、强制品。料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法制备纤维增韧CMC的工艺流程料浆浸渍工艺过程料浆浸渍工艺过程具有贯通间隙的增强体坯件或纤维编织骨架中沉积陶瓷基体制备CMC。化学气相沉积工艺过程原理图。优点优点：纤维受到的机械、化学损伤小，可以制备多向排布和编织和复杂形状的CMC；缺点缺点：生产周期长、效率低、成本高，难以制备高致密性的CMC。化学气相沉积工艺过程原理图化学气相沉积工艺过程原理图方法方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。随着时间的延长，边浸渍

7、边氧化，最终可制得纤维增强CMC。优点优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低； 方法：方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压-真空联合作用下使其浸渗进入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。热解时低分子产物从坯件中逸出，留在空隙间的产物即形成陶瓷基体。 优点优点：热解温度热压烧结温度，可减少界面的有害化学反应；热解在常压下进行，可以避免对纤维的机械损伤，可制备形状复杂和尺寸准确的制品。 缺点缺点：生产周期长，密度热压烧结（2 2）晶须（短纤维）补强）晶须（短纤维）补强CMCCMC成型工艺成型工艺 外加晶须（短切纤维）补强CMC成型

8、工艺制备过程：晶须（短切纤维）分散、晶须（短切纤维）与基体原料混合、成型烧结。成型方法：压力渗滤法、烧结法、先驱体热解法和化学气相沉积法 原位生长晶须补强CMC成型工艺方法：通过化学反应在陶瓷基体中原位生成补强组元（晶须）。（3 3）颗粒弥散型）颗粒弥散型CMCCMC的成型工艺的成型工艺基本过程：颗粒弥散型CMC的增强材料和基体的原料均为粉料，因此混料方法多采用球磨。 混合料干燥 先成型为坯件 烧结。烧结方法：常压烧结工艺和反应烧结。4 4、陶瓷基复合材料的应用、陶瓷基复合材料的应用 CMC的使用温度：主要取决于基体特性，其工作温度按下列基体材料依次提高： 玻璃 玻璃陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物

9、 陶瓷 其最高使用温度可达1900。 主要应用领域：刀具、滑动器件、航空航天构件、发动机构件、能源构件等。 应用例应用例 制动件：法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制作 超高速列车的制动件，取得了传统制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性； 航空航天领域：CMC制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件等也都收到了满意的效果； 燃气轮机高温部件：汽轮机的进口温度高达1400，美国、德国、瑞典等国都在开展用CMC取代高温合金的研究 高熔点及有些陶瓷的高温分解使熔焊困难 陶瓷的电绝缘性使之不能用电弧或电阻焊进行连接 陶瓷的固有脆性使之无法承受焊接热应力 陶瓷材料的塑性韧性差使之不能施加很大的

10、压力进行固相连接 陶瓷的化学惰性使之不易润湿而造成钎焊困难。1、陶瓷基复合材料的焊接性 (2)陶瓷基复合材料连接时，在选择连接方法与材料时，要考虑 对基体材料与增强材料的适应性。 (3)应考虑避免增强相与基体之间的不利界面反应，不能造成增 强相的氧化及性能的降低等，因此连接温度不能太高，时间也 不能太长。 (4)由于纤维增强的陶瓷基复合材料的耐压性能较差或受到限制， 连接过程中不能施加较大的压力。2、晶须或颗粒增强陶瓷基复合材料焊接的基本特点 这类复合材料的焊接类似于单质陶瓷的焊接，一般来说，可以用焊接单质陶瓷同样的工艺来焊接这类复合材料。这是因为许多陶瓷材料本身都可以归属于广义的复合材料；在

11、大多数情况下，复合材料的表面呈现其基体相的特征，由此可见，陶瓷基复合材料焊接的基本原则与陶瓷焊接的基本原则是相同的。与金属材料不同不同的陶瓷基体具有不同的键合类型，例如离子键、共价键、离子键与共价键的混合形式等。焊接时往往需要暂时地或局部地破坏材料的原子键合，并建立起新的键合，因此，不同键合类型的陶瓷基复合材料需要采用不同的焊接方法。陶瓷基体的状态影响焊接方法的选择及陶瓷基体的状态影响焊接方法的选择及焊接难易程度。焊接难易程度。例如，陶瓷粉末成形工艺可得到两种明显不同的陶例如，陶瓷粉末成形工艺可得到两种明显不同的陶瓷状态，即末烧结状态和烧结状态。一般情况下，瓷状态，即末烧结状态和烧结状态。一般

12、情况下，未烧结态下粉末之间通过次级键结合，这种键合是未烧结态下粉末之间通过次级键结合，这种键合是很弱的。因此，未烧结态陶瓷基复合材料的焊接比很弱的。因此，未烧结态陶瓷基复合材料的焊接比烧结烧结(致密化致密化)态的要容易。态的要容易。因此，建议在末烧结状因此，建议在末烧结状态下对陶瓷基复合材料进行焊接。态下对陶瓷基复合材料进行焊接。5.2.3 纤维增强陶瓷基复合材料的焊接特点纤维增强陶瓷基复合材料的焊接特点与单质陶瓷、晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料与单质陶瓷、晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料相比，纤维增强复合材料的焊接具有自己的特点。相比，纤维增强复合材料的焊接具有自己的特点。纤维增强复合

13、材料具有高度的各向异性。通常需要焊纤维增强复合材料具有高度的各向异性。通常需要焊接接头尽量保持这种各向异性。当连接面平行于纤维接接头尽量保持这种各向异性。当连接面平行于纤维方向时，纤维增强复合材料的焊接实际上等于基体材方向时，纤维增强复合材料的焊接实际上等于基体材料的焊接；而当连接面与纤维方向不相平行时，则焊料的焊接；而当连接面与纤维方向不相平行时，则焊接接头中的纤维与纤维必须有一定量的搭接，见图接接头中的纤维与纤维必须有一定量的搭接，见图6.1.由于高断裂韧性陶瓷基复合材料增韧机制一般由于高断裂韧性陶瓷基复合材料增韧机制一般为纤维拔出机制。纤维基体界面的结合强度为纤维拔出机制。纤维基体界面的

14、结合强度在很大程度决定了复合材料的性能。在很大程度决定了复合材料的性能。一般来说，弱结合较为理想。因此，焊接时不一般来说，弱结合较为理想。因此，焊接时不得用过高的温度或过大的压力，以免造成纤维得用过高的温度或过大的压力，以免造成纤维基体界面结合程度的变化，防止复合材料性基体界面结合程度的变化，防止复合材料性能降低。能降低。6.2.4 陶瓷基复合材料与金属之间的焊接特点陶瓷基复合材料与金属之间的焊接特点出于陶瓷基材料与金属原子结构之间存在本质上出于陶瓷基材料与金属原子结构之间存在本质上的差别，加上陶瓷材料本身特殊的物理化学性能，的差别，加上陶瓷材料本身特殊的物理化学性能，因此，无论是陶瓷基复合材

15、料自身焊接还是与金因此，无论是陶瓷基复合材料自身焊接还是与金属之间的焊接都存在不少问题。属之间的焊接都存在不少问题。陶瓷的线膨胀系数比较小，与金属的线膨胀系数陶瓷的线膨胀系数比较小，与金属的线膨胀系数相差较大，通过加热方式焊接陶瓷复合材料与金相差较大，通过加热方式焊接陶瓷复合材料与金属时，接头区域会产生残余应力，削弱接头的力属时，接头区域会产生残余应力，削弱接头的力学：性能，残余应力较大时还会导致焊接接头的学：性能，残余应力较大时还会导致焊接接头的断裂破坏。陶瓷复合材料与金属焊接中的主要问断裂破坏。陶瓷复合材料与金属焊接中的主要问题如下。题如下。 (1) 陶瓷基复合材料与金属焊接过程中的热膨胀

16、与热应力陶瓷基复合材料与金属焊接过程中的热膨胀与热应力 陶瓷基复合材料与金属的化学成分和物理性能有很大差陶瓷基复合材料与金属的化学成分和物理性能有很大差别，特别是线膨胀系数差异很大。此外，陶瓷基复合材料别，特别是线膨胀系数差异很大。此外，陶瓷基复合材料的弹性模量也很高。在焊接加热和冷却过程中陶瓷基复合的弹性模量也很高。在焊接加热和冷却过程中陶瓷基复合材料、金属各自产生差异较大的膨胀和收缩，在接头的界材料、金属各自产生差异较大的膨胀和收缩，在接头的界面附近产生较大的热应力，以致造成接头面附近产生较大的热应力，以致造成接头产生裂纹。一般是在焊接接头的陶瓷基复合材料一侧产生产生裂纹。一般是在焊接接头

17、的陶瓷基复合材料一侧产生裂纹并引发断裂裂纹并引发断裂与陶瓷基复合材料焊接的金属或用做中间层的金与陶瓷基复合材料焊接的金属或用做中间层的金属主要有钢、镍、铜镍合金、钨、铜、袒、铌、属主要有钢、镍、铜镍合金、钨、铜、袒、铌、锆、钛、膨胀合合金等。除锆、钛、膨胀合合金等。除般要求外，对于这些般要求外，对于这些金属的主要要求是线膨胀系数与陶瓷基体相近，金属的主要要求是线膨胀系数与陶瓷基体相近，并且在构件制造和工作过程中不发生同素异构转并且在构件制造和工作过程中不发生同素异构转变，以免引起线膨胀系数的突变，破坏陶瓷基复变，以免引起线膨胀系数的突变，破坏陶瓷基复合材料与金属的匹配关系而导致连接失败。合材料

18、与金属的匹配关系而导致连接失败。 陶瓷材料主要含有离子键或共价键，表现出非常稳陶瓷材料主要含有离子键或共价键，表现出非常稳定的电子配位，很难被金属键的金属钎料润湿，所定的电子配位，很难被金属键的金属钎料润湿，所以用通常的熔焊方法使金属与陶瓷基复合材料产生以用通常的熔焊方法使金属与陶瓷基复合材料产生熔合是很困难的。熔合是很困难的。用金属钎料钎焊陶瓷材料时，可以对陶瓷表面先进用金属钎料钎焊陶瓷材料时，可以对陶瓷表面先进行金属化处理、对被焊陶瓷的表面改性，或是在钎行金属化处理、对被焊陶瓷的表面改性，或是在钎料中加入活性元素，位钎料与陶瓷之间有化学反应料中加入活性元素，位钎料与陶瓷之间有化学反应发个，通过反应使陶瓷的表面分解形成新相，产生发个，通过反应使陶瓷的表面分解形成新相，产生化学吸附机制。这样才化学吸附机制。这样才“能形成结合牢固的