碳/碳复合材料及自支撑金刚石膜与金属连接的研究

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碳/碳复合材料(Carbon fiber reinforced carbon composite,CFC)及自支撑金刚石膜与金属的连接在工业领域具有广泛应用。本研究采用Ag-Cu-Ti焊料及添加难熔金属箔连接CFC/Ti6Al4V合金以及自支撑金刚石膜/Invar合金(因瓦合金),研究了难熔金属箔对接头微观结构、力学性能以及应力缓解的影响。采用Ag-Cu-Ti焊料及添加难熔金属箔(Nb、W、Mo和Ta)连接CFC与Ti6Al4V合金时,在CFC与焊料层之间形成了较薄的Ti C反应层,而在焊料层与Ti6Al4V合金之间形成了由Ti基固溶体和Ti2Cu组成的扩散层。当采用Ag-Cu-Ti焊料时,接头中焊料层主要由Ag基固溶体、Ti Cu和Cu基固溶体组成。当在Ag-Cu-Ti焊料中添加难熔金属箔时,连接区域均由焊料层I、难熔金属中间层和焊料层II组成。焊料层I和II主要由Ag基固溶体、Ti Cu和Cu基固溶体组成。当添加难熔金属箔(Nb、Mo或Ta)时,Nb、Mo和Ta中间层均向焊料层发生了少量扩散和溶解。对于添加W箔的接头,Ag-Cu-Ti焊料中Ti在W表面的吸附可促进W与焊料层之间的界面结合。采用Ag-Cu-Ti焊料及添加难熔金属箔(Nb和W)成功连接了自支撑金刚石膜与Invar合金。当采用Ag-Cu-Ti焊料时,焊料层主要由Ag基固溶体、Fe-Ti、Ni-Ti金属间化合物和Cu基固溶体组成。当在Ag-Cu-Ti焊料中添加难熔金属箔(Nb和W)时,接头连接区域由焊料层I、难熔金属中间层和焊料层II组成。其中,焊料层I主要含有Ag基固溶体、Cu基固溶体和Ti-Cu,而焊料层II主要含有Ag基固溶体、Fe-Ti、Ni-Ti和Cu基固溶体。在Ag-Cu-Ti焊料中添加难熔金属箔连接CFC/Ti6Al4V合金及自支撑金刚石膜/Invar合金时,接头平均剪切强度均高于未添加难熔金属箔时的接头强度,说明在Ag-Cu-Ti焊料中添加难熔金属箔有利于接头强度的提高。由于难熔金属箔的热膨胀系数介于CFC母材和Ti6Al4V之间,因此可以有效减小CFC/Ti6Al4V接头的热错配,从而缓解接头中的残余热应力。此外,由于难熔金属Nb和Ta具有较好的塑性和延展性,在连接后可以通过自身的变形来释放接头中的残余热应力。而对于延展性较差的难熔金属W和Mo,其弹性模量较高,可作为硬质阻挡层来改善接头中残余热应力的分布并减少应力集中,从而缓解接头残余应力。
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