SiO2复合材料表面CNTs生长及与TC4钛合金的复合反应钎焊机理研究

本课题提出一种焊前在SiO2复合材料待焊表面定向生长CNTs，通过复合反应钎料的合理设计，对SiO2复合材料与TiC4钛合金进行复合反应钎焊的新方法。该方法不仅可以实现SiO2复合材料/钎缝/TC4钛合金接头热膨胀系数的梯度过渡，而且还可以利用CNTs在钎缝中的纤维增强作用及对复合材料表面有效焊接面积的增加，提高焊后接头的连接强度。特别是，通过分析Ti行为特征对液态钎料/TC4钛合金界面处共晶反应及SiO2复合材料/液态钎料界面处活化反应层的微观调控机理，推导调控界面反应的归一化方程，控制接头易断裂活化反应层的微观厚度，从宏观上获得性能优异的钎焊接头。本课题如能顺利完成，不仅可以解决SiO2复合材料与TC4钛合金的焊接问题，同时也为其它纤维增强复合材料与钛合金的焊接提供一种创新思路。

本课题提出焊前在SiO2 复合材料待焊表面定向生长CNTs，通过合理设计AgCuTi和AgCu/Ni复合反应钎料，实现对SiO2复合材料与TC4 钛合金的复合反应钎焊的新方法。该方法不仅实现了SiO2 复合材料/钎缝/TC4 钛合金接头热膨胀系数的梯度过渡，而且还利用CNTs 在钎缝中的纤维增强作用及对复合材料表面有效焊接面积的增加，使接头抗剪强度提高5-6倍。采用AgCuTi钎料，未生长碳纳米管得到的接头抗剪强度6MPa，而生长碳纳米管得到的接头抗剪强度37MPa；采用AgCu/Ni复合钎料，未生长碳纳米管得到的接头抗剪强度4MPa，而生长碳纳米管得到的接头抗剪强度23MPa。CNTs的最佳生长工艺参数为温度为850℃、气体压强为700Pa、射频功率为175W、生长时间为10min，此时碳纳米管直径约12.64nm、碳纳米管阵列的高度可达2μm。采用AgCuTi钎料，接头的界面结构为SiO2/TiSi2/Cu4Ti3+Cu3Ti3O/Ag(s,s)+Cu(s,s)/TiCu/Ti2Cu/αTi+βTi/TC4；采用AgCu/Ni复合钎料，接头的界面结构为TC4/针状α-Ti/Ti(s.s)+Ti2Cu+Ti2Ni 过共析组织/Ti(s.s)+Ti2Cu+Ti2Ni过共晶组织/Ti2Ni+Ti2Cu化合物/Ti(s.s)+Ti2Cu+Ti2Ni过共晶组织/Ti3O5+TiSi/SiO2。特别是，通过分析液态钎料/TC4钛合金界面处共晶反应及SiO2 复合材料/液态钎料界面处Ti3O5+TiSi活化反应层的微观调控机理，推导出该活化反应层的成长动力学方程，控制其微观厚度而从宏观上获得性能优异的钎焊接头。本课题的研究成果，不仅可以解决SiO2复合材料与TC4 钛合金的焊接问题，同时也为其它纤维增强复合材料与钛合金的焊接提供一种创新思路。