專利名稱：碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，具體是一種碳/碳化硅復(fù)合材料的構(gòu)件的連接方法。
背景技術(shù)：
碳/碳化硅復(fù)合材料，具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、抗氧化性好、耐腐蝕和不發(fā)生災(zāi)難性損毀等優(yōu)點(diǎn)，成為1650°C以下長(zhǎng)壽命、1900°C以下有限壽命和2800°C以下瞬時(shí)壽命的熱結(jié)構(gòu)/功能材料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，已成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但由于碳/碳化硅復(fù)合材料編織工藝的限制，實(shí)現(xiàn)大型、精密、復(fù)雜構(gòu)件十分困難。因此，研究開發(fā)可靠的連接技術(shù)，對(duì)碳/碳化硅復(fù)合材料的應(yīng)用具有重要意義?，F(xiàn)有的碳/碳化硅復(fù)合材料的聯(lián)接方法大體包括金屬釬焊、過渡液相擴(kuò)散連接、在線液相滲透連 接或通過材料的自身變形產(chǎn)生壓合等，上述幾種連接方法有如下特點(diǎn)1、金屬釬焊由于釬焊材料接頭熱膨脹系數(shù)與母體材料不同，容易導(dǎo)致在接點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且由于釬料熔點(diǎn)比較低，釬焊接頭的使用溫度不超過500°C，這與復(fù)合材料的應(yīng)用溫度是有較大差距的不能使用。2、過渡液相擴(kuò)散連接是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作中間夾層，在加熱到一定溫度時(shí)中間夾層瞬時(shí)間液相并在保溫過程中液相分子均勻擴(kuò)散滲透在母材而凝固，從而連接一體。而金屬中間層在1250°C時(shí)就已發(fā)生脫離現(xiàn)象，顯然上述連接方法使用溫度低，不能滿足碳/碳化硅復(fù)合材料1600°C以上高溫連接要求。3、在線液相滲透連接在復(fù)合材料制備過程中通過連接劑熔化后滲入材料孔隙內(nèi)形成連接。連接劑一般為Ni基，其中含有適量T1、Cr、Zr等活性元素，連接溫度為1300°C，連接壓力為20MPa，連接時(shí)間為45min，真空保護(hù)。在線液相滲透連接方法是一種高溫連接方法，連接時(shí)間短，連接件物理結(jié)合能力強(qiáng)且能在一定程度上緩解連接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。但是該方法連接溫度高，整個(gè)連接過程必須在真空條件下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求高，因此連接成本較高，且連接劑的適用面窄，需要開發(fā)適用于不同復(fù)合材料的耐高溫連接劑，因而阻礙了此方法的實(shí)際運(yùn)用。4、通過材料的自身變形產(chǎn)生壓合金屬材料具有良好的延展性,可以通過自身變形產(chǎn)生壓合實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的連接，但是碳/碳化硅復(fù)合材料不具備良好的延展性，采用此種連接方法連接碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)效果較差。綜上所述，以上幾種連接方法都不是碳/碳化硅復(fù)合材料連接的最佳方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有碳/碳化硅復(fù)合材料連接方法可靠性差，尤其是不能滿足碳/碳化硅復(fù)合材料高溫環(huán)境下的使用要求，同時(shí)難以滿足碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的批量化工業(yè)生產(chǎn)的不足，本發(fā)明提出了一種碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法。本發(fā)明包括以下步驟
步驟I，制作連接件；在碳/碳化硅復(fù)合材料板上取料并加工成多個(gè)桿狀的碳/碳化娃復(fù)合材料連接件；所述碳/碳化娃復(fù)合材料板料的密度為1. 65 1. 75g/cm3。步驟2，在被連接的板件上加工連接孔；連接孔的孔徑與所述連接件的直徑相同；各相鄰連接孔中心之間的間距均為IOmm;在所述孔的兩端倒7° 8°角，以加大連接件與被連接的板件之間的配合面，使所述配合面之間的沉積厚度為O. 12 O. 17毫米。步驟3，預(yù)連接；將被連接板件疊放，并將各連接件逐一裝入被連接板件上的連接孔內(nèi)，并使各連接件頂端的高度差在±0. 15_以內(nèi)，完成連接件與被連接板件的預(yù)連接，得到由連接件和被連接板件組成的預(yù)連接構(gòu)件。步驟4，對(duì)預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)行預(yù)沉積；將所述預(yù)連接構(gòu)件置于直徑為600mm的真空爐 內(nèi)進(jìn)行CVI沉積，工藝條件為沉積溫度900 1100°C，抽真空至壓力2 4kPa，H2氣流量150 250ml/min，Ar氣流量250 350ml/min,三氯甲基硅烷溫度25 35°C，H2與三氯甲基硅烷的摩爾質(zhì)量比為8 12、沉積時(shí)間80 100h。步驟5，通過機(jī)械加工的方式切除露在經(jīng)過預(yù)沉積后的預(yù)連接構(gòu)件表面的連接件
立而頭。步驟6，沉積預(yù)連接構(gòu)件；對(duì)經(jīng)過機(jī)械加工的預(yù)沉積后的預(yù)連接構(gòu)件再次進(jìn)行沉積，使預(yù)連接構(gòu)件表面進(jìn)一步致密化；沉積預(yù)連接構(gòu)件的過程與所采用的工藝參數(shù)與步驟4預(yù)沉積的工藝參數(shù)相同；得到沉積后的碳/碳化硅預(yù)連接構(gòu)件。步驟7，表面精磨加工，得到碳/碳化硅連接構(gòu)件。本發(fā)明考慮到碳/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的特性，利用化學(xué)氣相滲透法(簡(jiǎn)稱CVI)制備工藝，實(shí)現(xiàn)了將碳/碳化硅復(fù)合材料的制造和連接融為一體的在線連接方法，即在碳/碳化硅復(fù)合材料制造過程中控制孔隙率以實(shí)現(xiàn)最佳連接，連接完成后繼續(xù)進(jìn)行復(fù)合材料的致密化。該連接方法是在材料的制備過程中完成的，充分考慮了連接的要求，使連接過程對(duì)材料的損傷作用降低到最??；后期的CVI致密化過程不僅完成材料的制備，同時(shí)可以為整個(gè)材料及連接提供防氧化涂層，增強(qiáng)了構(gòu)件的抗氧化能力，真正體現(xiàn)了連接制備加工一體化；連接完成后，原被連接件預(yù)制體內(nèi)的氣孔減少了 70% 85%，且連接件采用與被連接構(gòu)件一致的碳/碳化硅復(fù)合材料制備，提高了連接構(gòu)件的連接強(qiáng)度、使用溫度和抗熱震性能；連接件可以大批量制備，節(jié)約碳/碳化硅連接構(gòu)件的制造成本，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。


圖1是CVI氣相沉積示意圖2是沉積前預(yù)連接構(gòu)件的金相組織圖3是預(yù)連接構(gòu)件正面視圖4是經(jīng)過CVI沉積兩爐后連接構(gòu)件的金相組織圖
圖5是連接構(gòu)件的X射線無損照片；
圖6是本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施方式
參照附圖
實(shí)施例1 :
本實(shí)施例是一種碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法。步驟I，制作連接件。在密度為1. 65g/cm3的碳/碳化硅復(fù)合材料板料上取料并加工成32個(gè)桿狀的碳/碳化硅復(fù)合材料連接件。步驟2，在被連接的板件上加工連接孔。所述被連接板件的尺寸為80 X 50mm，連接孔的孔徑與所述連接件的直徑相同，各相鄰連接孔中心之間的間距均為10mm。在所述孔的兩端倒T角，以加大連接件與被連接的板件之間的配合面，使所述配合面之間的沉積厚度為 O. 12mm。步驟3，預(yù)連接。將被連接板件疊放，并將各連接件逐一裝入被連接板件上的連接孔內(nèi)，并使各連接件頂端的高度差在±0. 15_以內(nèi)，完成連接件與被連接板件的預(yù)連接，得到由連接件和被連接板件組成的預(yù)連接構(gòu)件。步驟4，對(duì)預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)行預(yù)沉積。將所述預(yù)連接構(gòu)件置于直徑為600mm的真空爐內(nèi)進(jìn)行CVI沉積，工藝條件為沉積溫度900°C，抽真空至壓力2kPa，H2氣流量150ml/min，Ar氣流量250ml/min，三氯甲基硅烷溫度25°C，H2與三氯甲基硅烷的摩爾質(zhì)量比為8、沉積時(shí)間80h。步驟5，加工。通過機(jī)械加工的方式切除露在經(jīng)過預(yù)沉積后的預(yù)連接構(gòu)件表面的連接件頭。步驟6，沉積預(yù)連接構(gòu)件。對(duì)經(jīng)過機(jī)械加工后的預(yù)連接構(gòu)件再次進(jìn)行沉積，使預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)一步致密化，得到沉積后的碳/碳化硅預(yù)連接構(gòu)件，該步驟沉積過程所采用的工藝參數(shù)與步驟4相同。步驟7，表面精磨加工，得到碳/碳化硅連接構(gòu)件。本實(shí)施例得到的碳/碳化硅連接構(gòu)件經(jīng)過X射線無損檢測(cè)后，可以看到連接件與被連接件之間結(jié)合緊密，連接可靠；經(jīng)過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為362MPa ;經(jīng)過700°C、10個(gè)小時(shí)的高溫氧化實(shí)驗(yàn)，氧化失重率為2. 1%。實(shí)施例2 本實(shí)施例是一種碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法。步驟I，制作連接件。在密度為1. 70g/cm3的碳/碳化硅復(fù)合材料板料上取料并加工成32個(gè)桿狀的碳/碳化硅復(fù)合材料連接件。步驟2，在被連接的板件上加工連接孔。所述被連接板件的尺寸為80 X 50mm，連接孔的孔徑與所述連接件的直徑相同，各相鄰連接孔中心之間的間距均為10mm。在所述孔的兩端倒8°角，以加大連接件與被連接的板件之間的配合面，使所述配合面之間的沉積厚度為 O. 15mm。步驟3，預(yù)連接。將被連接板件疊放，并將各連接件逐一裝入被連接板件上的連接孔內(nèi)，并使各連接件頂端的高度差在±0. 15_以內(nèi)，完成連接件與被連接板件的預(yù)連接，得到由連接件和被連接板件組成的預(yù)連接構(gòu)件。步驟4，對(duì)預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)行預(yù)沉積。將所述預(yù)連接構(gòu)件置于直徑為600mm的真空爐 內(nèi)進(jìn)行CVI沉積，工藝條件為沉積溫度1000°c，抽真空至壓力3kPa，H2氣流量200ml/min，Ar氣流量300ml/min，三氯甲基硅烷溫度30°C，H2與三氯甲基硅烷的摩爾質(zhì)量比為10、沉積時(shí)間90h。步驟5，加工。通過機(jī)械加工的方式切除露在經(jīng)過預(yù)沉積后的預(yù)連接構(gòu)件表面的連接件頭。步驟6，沉積預(yù)連接構(gòu)件。對(duì)經(jīng)過機(jī)械加工后的預(yù)連接構(gòu)件再次進(jìn)行沉積，使預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)一步致密化，得到沉積后的碳/碳化硅預(yù)連接構(gòu)件，該步驟沉積過程所采用的工藝參數(shù)與步驟4相同。步驟7，表面精磨加工，得到碳/碳化硅連接構(gòu)件。本實(shí)施例得到的碳/碳化硅連接構(gòu)件經(jīng)過X射線無損檢測(cè)后，可以看到連接件與被連接件之間結(jié)合緊密，連接可靠；經(jīng)過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為375MPa ;經(jīng)過700°C、10個(gè)小時(shí)的高溫氧化實(shí)驗(yàn)，氧化失重率為2. 3%。
實(shí)施例3 本實(shí)施例是一種碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法。步驟I，制作連接件。在密度為1. 75g/cm3的碳/碳化硅復(fù)合材料板料上取料并加工成32個(gè)桿狀的碳/碳化硅復(fù)合材料連接件。步驟2，在被連接的板件上加工連接孔。所述被連接板件的尺寸為80 X 50mm，連接孔的孔徑與所述連接件的直徑相同，各相鄰連接孔中心之間的間距均為10mm。在所述孔的兩端倒T角，以加大連接件與被連接的板件之間的配合面，使所述配合面之間的沉積厚度為 O. 18mm η步驟3，預(yù)連接。將被連接板件疊放，并將各連接件逐一裝入被連接板件上的連接孔內(nèi)，并使各連接件頂端的高度差在±0. 15_以內(nèi)，完成連接件與被連接板件的預(yù)連接，得到由連接件和被連接板件組成的預(yù)連接構(gòu)件。步驟4，對(duì)預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)行預(yù)沉積。將所述預(yù)連接構(gòu)件置于直徑為600_的真空爐內(nèi)進(jìn)行CVI沉積，工藝條件為沉積溫度1100°c，抽真空至壓力4kPa，H2氣流量250ml/min，Ar氣流量350ml/min，三氯甲基硅烷溫度35°C，H2與三氯甲基硅烷的摩爾質(zhì)量比為12、沉積時(shí)間IOOh。步驟5，加工。通過機(jī)械加工的方式切除露在經(jīng)過預(yù)沉積后的預(yù)連接構(gòu)件表面的連接件頭。步驟6，沉積預(yù)連接構(gòu)件。對(duì)經(jīng)過機(jī)械加工后的預(yù)連接構(gòu)件再次進(jìn)行沉積，使預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)一步致密化，得到沉積后的碳/碳化硅預(yù)連接構(gòu)件，該步驟沉積過程所采用的工藝參數(shù)與步驟4相同。步驟7，表面精磨加工，得到碳/碳化硅連接構(gòu)件。本實(shí)施例得到的碳/碳化硅連接構(gòu)件經(jīng)過X射線無損檢測(cè)后，可以看到連接件與被連接件之間結(jié)合緊密，連接可靠；經(jīng)過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為378MPa ;經(jīng)過700°C、10個(gè)小時(shí)的高溫氧化實(shí)驗(yàn)，氧化失重率為1. 9%。
權(quán)利要求
1.一種碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，制作連接件；在碳/碳化硅復(fù)合材料板上取料并加工成多個(gè)桿狀的碳/碳化硅復(fù)合材料連接件；步驟2，在被連接的板件上加工連接孔；連接孔的孔徑與所述連接件的直徑相同； 各相鄰連接孔中心之間的間距均為IOmm;在所述孔的兩端倒7° 8°角，以加大連接件與被連接的板件之間的配合面，使所述配合面之間的沉積厚度為O. 12 O. 17毫米； 步驟3，預(yù)連接；將被連接板件疊放，并將各連接件逐一裝入被連接板件上的連接孔內(nèi)，并使各連接件頂端的高度差在±0. 15_以內(nèi)，完成連接件與被連接板件的預(yù)連接，得到由連接件和被連接板件組成的預(yù)連接構(gòu)件；步驟4，對(duì)預(yù)連接構(gòu)件進(jìn)行預(yù)沉積；將所述預(yù)連接構(gòu)件置于直徑為600mm的真空爐內(nèi)進(jìn)行CVI沉積，工藝條件為沉積溫度900 1100°C，抽真空至壓力2 4kPa，H2氣流量150 250ml/min, Ar氣流量250 350ml/min，三氯甲基硅烷溫度25 35°C，H2與三氯甲基硅烷的摩爾質(zhì)量比為8 12、沉積時(shí)間80 IOOh ；步驟5，通過機(jī)械加工的方式切除露在經(jīng)過預(yù)沉積后的預(yù)連接構(gòu)件表面的連接件端頭;步驟6，沉積預(yù)連接構(gòu)件；對(duì)經(jīng)過機(jī)械加工的預(yù)沉積后的預(yù)連接構(gòu)件再次進(jìn)行沉積，使預(yù)連接構(gòu)件表面進(jìn)一步致密化；沉積預(yù)連接構(gòu)件的過程與所采用的工藝參數(shù)與步驟4預(yù)沉積的工藝參數(shù)相同；得到沉積后的碳/碳化硅預(yù)連接構(gòu)件；步驟7，表面精磨加工，得到碳/碳化硅連接構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法，其特征在于，所述碳/碳化硅復(fù)合材料板料的密度為1. 65 1. 75g/cm3。
全文摘要
一種碳/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的連接方法，利用CVI沉積制備方法在真空爐內(nèi)，將碳/碳化硅構(gòu)件進(jìn)行CVI沉積。將碳/碳化硅復(fù)合材料的連接桿與被連接件組裝，采用化學(xué)氣相滲透的方法在被連接件和桿件之間沉積SiC，最終實(shí)現(xiàn)連接。沉積的過程包括預(yù)處理CVI和最終CVI沉積，通過碳/碳化硅材料復(fù)合過程，在連接桿與母體之間沉積SIC，使與母體材料等強(qiáng)度的連接桿最終與母體材料結(jié)合為一體，從而實(shí)現(xiàn)連接。本發(fā)明具有粘接和緊固連接的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B37/02GK103011874SQ20121052169
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者酒艷華, 劉杰, 鄔國(guó)平, 謝征昊, 蔡文勝, 姜偉光 申請(qǐng)人:西安鑫垚陶瓷復(fù)合材料有限公司