碳纖維增韌碳基復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱碳/碳復(fù)合材料)是新一代戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)材料，具有散熱快(導(dǎo)熱性高)、溫度上升慢(比熱容高)、耐高溫、質(zhì)量輕、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。適用于制造制動(dòng)部件、導(dǎo)彈頭、火箭鼻錐、噴嘴喉襯、航天飛機(jī)鼻錐、翼前緣、透平發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。將碳/碳復(fù)合材料與金屬焊接在一起，可以充分利用其與金屬在性能和加工方面的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，滿足零件制造的高性能和精度要求。可以認(rèn)為，碳/碳復(fù)合材料與鈦合金的焊接是成功應(yīng)用于空間技術(shù)和航空技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

碳/碳復(fù)合材料和金屬焊接困難。首先，要解決焊接問(wèn)題，即焊料需要具有良好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，以便滲透到碳/碳復(fù)合材料的內(nèi)部間隙中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械咬合，并與碳/碳復(fù)合材料中的碳和碳纖維釬焊或反應(yīng)形成化合物。第二，由于碳/碳復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)很小，約為1×10?K1,僅為金屬的1/6~1/16，焊接接頭因熱膨脹失配引起的熱應(yīng)力需要釋放、緩解或轉(zhuǎn)移。事實(shí)上，熱應(yīng)力是導(dǎo)致碳/碳復(fù)合材料和金屬焊接成敗的關(guān)鍵因素。

然而，碳/碳復(fù)合材料和鈦合金等金屬只能用上述方法直接釬焊200mm2對(duì)于大面積焊接，以下小面積焊接往往會(huì)導(dǎo)致焊接接頭因熱應(yīng)力而開裂失效。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法大面積焊接碳/碳復(fù)合材料和鈦合金的不足，本文提供了碳/碳復(fù)合材料與鈦合金的焊接方法，可以實(shí)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料與鈦合金的高強(qiáng)度連接。

解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是：碳/碳復(fù)合材料與鈦合金的焊接方法

以下步驟：

1)選擇0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μM厚Cu箔或Cu板疊加形成TiCu中間層，清潔碳/碳復(fù)合材料與鈦合金的焊接面，以及Ti箔、Cu箔或Cu板；

2)碳/碳復(fù)合材料，Ti箔、Cu箔或Cu板、鈦合金組合成碳/碳復(fù)合材料 Ti/Cu 鈦合金的焊接結(jié)構(gòu)放置在真空擴(kuò)散焊爐的上下壓頭之間，并施加預(yù)壓壓實(shí)焊件；

3)在擴(kuò)散焊爐中抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.02～0.1 MPa,并保持，然后以5~8℃/min的速度加熱到910的焊接溫度～1000°℃,保持5～20 min,然后將焊接壓力提升至2～ 4MPa，保持20～40min,以5～7 °C/min的速度降低到500°C后，卸壓，并將其冷卻到室溫。

本文的有益效果是，由于Ti/Cu中間過(guò)渡層放置在碳/碳復(fù)合材料和鈦合金之間，Ti和Cu發(fā)生共晶反應(yīng)，產(chǎn)生低熔點(diǎn)液態(tài)金屬，潤(rùn)濕并擴(kuò)散并滲透到碳/碳復(fù)合材料基體中，與碳/碳復(fù)合材料中的碳和碳纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)鍵合；隨著Cu繼續(xù)擴(kuò)散到液態(tài)金屬中，由于熔點(diǎn)高于焊接溫度，熔點(diǎn)升高，最終凝固。冷卻后，實(shí)現(xiàn)機(jī)械咬合與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的連接機(jī)制；Cu中間層與鈦合金實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焊接冶金的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料與鈦合金的大面積焊接。

本文通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。

具體實(shí)施方法

碳/碳復(fù)合材料與鈦合金的焊接方法主要是將中間過(guò)渡層放置在碳/碳復(fù)合材料與鈦合金之間。中間層由0.05~0.10mmTi箔和0.4~0.8mm厚Cu板組成，形成碳/碳復(fù)合材料 Ti/Cu 鈦合金焊接結(jié)構(gòu)。在碳/碳復(fù)合材料和鈦合金之間施加一定的焊接壓力，在真空擴(kuò)散焊爐中加熱到焊接溫度，并保溫一定時(shí)間。在此期間，碳/碳復(fù)合材料與中間層之間發(fā)生瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊，即Ti和Cu發(fā)生共晶反應(yīng)，產(chǎn)生低熔點(diǎn)液態(tài)金屬，潤(rùn)濕擴(kuò)散并滲透到碳/碳復(fù)合材料基體中，與碳/碳復(fù)合材料中的碳和碳纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)鍵合。隨著Cu繼續(xù)擴(kuò)散到液態(tài)金屬中，其熔點(diǎn)升高，最終因其熔點(diǎn)高于焊接溫度而凝固，即“等溫凝固”。機(jī)械咬合與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的連接機(jī)制在冷卻后實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)散焊冶金與Cu中間層與鈦合金相結(jié)合。

實(shí)施例1:焊接面積900mm2碳/碳復(fù)合材料與工業(yè)純鈦TA3焊接。0.018厚度為0.018μm的Ti箔、總厚度為0.4μm的Cu箔。

拋光碳/碳復(fù)合材料待焊面，在無(wú)水乙醇溶劑中清洗超聲波，去除油污，沖洗干凈。在無(wú)水乙醇溶劑中清洗Cu箱。酸洗Ti箔和工業(yè)純鈦TA3去除表面氧化膜，用Cu箔清洗去離子水中的超聲波。

碳/碳復(fù)合材料干燥后，Ti箔、焊前裝卡Cu箔和工業(yè)純鈦TA3，組合成碳/碳復(fù)合材料 Ti/Cu TA3的焊接結(jié)構(gòu)，放置在真空擴(kuò)散焊爐的上下壓頭之間，施加預(yù)壓壓實(shí)焊件。

關(guān)閉真空室門，抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.02MPa，然后保持8°C/min的速度升溫到焊接溫度910°C,保溫5min，實(shí)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料與TiCu中間層之間的瞬時(shí)液。

相擴(kuò)散焊:然后將焊接壓力提高到2MPa，保持20min，實(shí)現(xiàn)TiCu中間層和工業(yè)純鈦TA3的擴(kuò)散焊。最后，7°C/min的速度降低到500°℃后，卸壓，隨爐冷卻至室溫。

碳/碳復(fù)合材料與工業(yè)純鈦TA3的接頭焊接后，采用壓剪法進(jìn)行測(cè)試，剪切強(qiáng)度為26 MPa。

實(shí)施例2:焊接面積1200mm2碳/碳復(fù)合材料與Ti-6Al-4V鈦合金焊接。

厚度為0.03的選擇μm的Ti箔、厚度為0.6μmCu板。研磨、清洗、裝卡方法與實(shí)施例1相同。

關(guān)閉真空室門，抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.08 MPa,并保持，然后用7°℃/min的速度升溫到焊接溫度960 °C,保溫10 min,實(shí)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料與中間層之間的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊；然后將焊接壓力提高到3MPa，保持30min，實(shí)現(xiàn)中間層與鈦合金的擴(kuò)散焊。最后，以6C/min的速度冷卻到500°℃后，卸壓，隨爐冷卻至室溫。

碳/碳復(fù)合材料與Ti-6Al-4V鈦合金的接頭焊接后，采用壓剪法進(jìn)行測(cè)試，剪切強(qiáng)度為28 MPa。

實(shí)施例3:焊接面積1600mm2碳/碳復(fù)合材料與Ti-3A1-7mo-11cr鈦合金焊接。

厚度為0.16μm的Ti箔、厚度為0.8μm的Cu板。

研磨、清洗、裝卡方法與實(shí)施例1相同。

關(guān)閉真空室門，抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.1MPa,并保持，然后以5C/min的速度加熱到焊接溫度1萬(wàn)°℃,保溫20 min,實(shí)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料與中間層之間的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊；然后將焊接壓力提高到4 MPa,并保持40min，實(shí)現(xiàn)中間層和鈦合金的擴(kuò)散焊。最后，以5C/min的速度冷卻至500C后，卸壓，并隨爐冷卻至室溫。

碳/碳復(fù)合材料與Ti-3al-7mo-11cr鈦合金的接頭焊接后，采用壓剪法進(jìn)行測(cè)試，剪切強(qiáng)度為34mpa。