接头形式对陶瓷/金属连接残余应力的影响

采用有限元数值模拟方法研究了用AgCuTi钎料并添加Kovar中间层对氧化铝陶瓷/不锈钢进行钎焊连接接头残余应力的分布情况,分析接头形式对残余应力的影响.结果表明,采用等壁厚直接对接接头时,接头最大等效应力高达600 MPa以上,而将不锈钢壁厚减半后再进行对接时,接头最大等效应力可以降低近200 MPa;两种情况下最大等效应力均出现在靠近连接界面的陶瓷中,断裂易在此位置发生.考查了各应力分量对最终残余应力的贡献,结果显示轴向应力和剪切应力在靠近界面的陶瓷侧有较大残余拉应力是造成接头强度降低的主要因素.     

C/C复合材料与TC4钎焊接头的组织与断裂形式分析

在钎焊时间10 min,钎焊温度820～900℃的条件下,采用AgCu钎料对C/C复合材料和TC4进行了钎焊试验.利用扫描电镜、X射线衍射分析仪、EDS能谱分析仪对接头的界面组织及断口形貌进行了研究.结果表明,C/C复合材料与TC4连接接头的界面结构为C/C复合材料/TiC C/TiCu/Ag(s.s) Cu(s.s) Ti3Cu4/Ti3Cu4/TiCu/Ti2Cu/Ti2Cu Ti(s.s)/TC4.由压剪试验测得的接头抗剪强度可知,在钎焊温度850 ℃,保温时间10 min的钎焊条件下,接头获得的最高抗剪强度达到38 MPa.接头的断口分析表明,接头的断裂位置与被连接处碳纤维方向和钎焊温度有关.当碳纤维轴平行于连接面时,断裂发生在复合材料中.当碳纤维轴垂直于连接面时,若钎焊温度较低,断裂发生在C/C复合材料/钎料界面处;若钎焊温度较高,断裂主要发生在C/C复合材料/钎料界面和钎料/TC4界面处.     

TC4／QAl10-3-1-5扩散接头残余应力的有限元数值模拟

采用有限元分析软件ANSYS对TC4与QAl10-3-1．5直接扩散连接和填加Ni中间层扩散连接接头残余应力分布进行了数值模拟。结果表明，对接头强度有害的轴向拉应力巩的最大值出现在靠近接头边缘的界面脆性相及焊缝TC4侧的狭小区域内，且拉应力σy随着向中心轴的靠近而迅速减小并逐渐转为压应力，因此该区域是接头的薄弱区；采用Ni中间层时，应力分布梯度相对缓和一些，最大残余应力出现在中间层Ni与TC4之间的金属间化合物NiTi、Ni3Ti上；而随着中间层厚度的增加，接头残余应力也相应的增大。中间层厚仅存在一个最佳值。     

膨胀压差法扩散连接残余应力数值模拟

采用有限元分析软件ANSYS对Ti-6Al-4V与ZQSn10-10组合筒形件扩散连接接头残余应力的大小及分布进行了数值模拟.结果表明,有害的较大的残余应力出现在连接界面金属间化合物混合层上以及靠近Ti-6Al-4V母材侧的狭小区域;沿着连接界面轴向上的应力分布均匀,但邻近上下表面由于边缘效应而产生较大的应力集中.     

C／C复合材料与TC4合金钎焊接头的组织与性能分析

在钎焊时间3～30min，钎焊温度860-1000℃的条件下，采用AgCuTi钎料对C／C复合材料和TC4合金进行了钎焊试验。利用扫描电镜及EDS能谱分析的方法对接头的界面组织及断口形貌进行了研究。结果表明，接头界面结构为C／C复合材料／TiC＋C／TiCu＋TiC／Ag（s．s）＋Ti3Cu4＋TiCu／Ti3Cu4／TiCu／Ti2Cu／Ti2Cu＋Ti（s．s）／TC4。由压剪试验测得的接头抗剪强度结果可知，在钎焊温度910℃，保温时间10min的条件下，接头获得的最高抗剪强度为25MPa。接头的断口分析结果表明，接头断裂的位置与被连接界面的碳纤维方向有关，当碳纤维轴平行于连接面时，断裂发生在复合材料中；当碳纤维轴垂直于连接面时，断裂主要发生在复合材料与钎料的界面处。     

液-固扩散焊复合连接Ti(C,N)与40Cr的界面行为与接头强度

通过预置Ti/Cu非对称中间层对Ti(C,N)基金属陶瓷与40Cr钢进行了液-固扩散焊复合连接试验,重点研究了界面组织、接头强度及其影响因素.结果表明,通过预置Ti/Cu非对称中间层液-固扩散焊,能够分别实现Ti(C,N)基金属陶瓷与铜箔,以及铜箔与40Cr钢之间的冶金结合;Ti(C,N)基金属陶瓷界面物相呈梯度分布,形成Ti(C,N)基金属陶瓷/TiAl₂/Ti₂Cu/TiCu/铜箔结构;Ti(C,N)基金属陶瓷一侧靠近界面区域存在较大的焊接残余拉应力,以及脆弱的TiAl₂金属间化合物层,是制约焊接接头强度的关键因素;单纯以铜箔为中间层,采用常规固相扩散焊连接Ti(C,N)基金属陶瓷,即使在加热温度1223 K、压力20 MPa条件下,也难以实现Ti(C,N)基金属陶瓷与铜箔的有效连接.     

Ti(C,N)/40Cr钎焊接头残余应力数值计算

使用有限元法模拟计算了Cu箔、Mo箔对缓解Ti(C,N)/40Cr钎焊接头残余应力的效果.结果表明,无缓冲层直接钎焊,在Ti(C,N)金属陶瓷外侧靠近钎缝的狭小区域内产生较高的拉伸残余应力,其峰值达到268 MPa;使用屈服极限低的Cu箔,接头最大残余拉应力下降到98 MPa,缓解应力效果显著,但最大残余拉应力所处区域与无缓冲层相比没有明显变化;使用线膨胀系数小的Mo箔,应力峰值出现在Mo箔中,同时缓解应力效果不如Cu箔;无论使用Cu箔还是Mo箔,最佳厚度约为0.8 mm左右,大于或小于该厚度值,应力得不到有效释放.     

掺杂石墨/Cu钎焊接头残余应力的分布特征及中间层的作用

利用有限元方法,模拟分析了掺杂石墨/Cu钎焊接头残余应力的分布特征。分析结果表明,对接头有害的较大残余应力分布在石墨棱角距离焊缝约0.8mm处的狭小区域;降低连接温度、减少连接时间及增加钎焊压力均有利于减小接头残余应力,优化接头的界面应力状态;中间层的加入在一定程度上缓和了接头的残余应力。从缓和效果来看,Cu比Mo作中间层好,而Cu/Mo复合中间层的缓和效果最好,是较理想的中间层材料。     

Cu-Ti+Mo连接2D C/SiC复合材料与GH783的接头微结构与性能

采用Cu-Ti+Mo复合焊料,在真空条件下对2D C/SiC复合材料和GH783镍基合金进行连接,分析接头的显微组织结构,研究Mo含量对接头组织及性能的影响.结果表明:接头由界面反应层、应力缓解层、软金属层和扩散层4个区域组成,接头致密,无孔洞、裂纹等缺陷.随着Mo含量的增加,接头的连接强度不断增加:当Mo含量为15％(体积分数)时,接头连接强度达到最大( 141 MPa);当Mo含量大于15％时,接头的连接强度开始下降.Mo的加入,缓解了接头的残余应力、抑制了Ti对C/SiC的过度侵蚀,从而有效提高接头的连接强度.     

Ti-Nb-Cu作缓冲层的TiC金属陶瓷/304不锈钢扩散连接

对TiC金属陶瓷和304不锈钢进行真空扩散连接实验,并采用Ti/Nb/Cu中间层以实现活性连接并缓解接头残余应力的目的。对焊接接头进行详细的组织分析和力学性能测试来评估焊接工艺。分析发现在TiC金属陶瓷和304不锈钢之间形成明显的转变过渡区,界面反应产物为（Ti,Nb）,剩余Nb,剩余Cu以及 Cu（s.s）。连接温度925℃,保温时间20min,压力8MPa下得到的接头剪切强度达84.6MPa,此时脆性断裂发生在靠近界面处的陶瓷内部。结果表明,中间层Ti/Nb/Cu的合理选择能很好的降低金属间化合物对接头性能的有害作用,而且Nb对接头残余应力的改善起到关键作用,有效的提高了接头强度。     

TENSILE TESTING OF C/C COMPOSITES ATHIGH TEMPERATURES

１．ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳｕｂｓｔａｎｔｉａｌａｔｅｎｔｉｏｎｈａｄｂｅｅｎｐａｉｄｔｏｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎ（Ｃ／Ｃ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｍａｎｙｋｉｎ...     

冷喷涂对2219铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力与力学性能的影响

为了改善铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力与力学性能,在4 mm厚2219铝合金搅拌摩擦焊接头上表面进行冷喷涂试验,研究分析了冷喷涂前后接头残余应力与力学性能的变化. 结果表明,焊态接头纵向残余应力呈不对称“M”形分布,残余应力峰值位于前进侧靠轴肩附近;冷喷涂后,接头残余应力大幅度降低,残余应力峰值由186 MPa降低至43 MPa.涂层沉积厚度约200 μm,涂层与基体界面产生了较大的塑性变形,基体界面附近组织晶粒得以细化.由于冷喷涂过程的喷丸效应,接头上表面显微硬度平均提高了25 HV,作用深度约1 mm.接头拉伸性能也获得明显改善,抗拉强度提升6.3%,断后伸长率提升78.6%,焊态与冷喷涂态的拉伸试样均在接头前进侧的热影响区附近发生断裂,符合在低硬度区或弱结合面产生裂纹并扩展的弱区断裂的特征.     

Joining of C/C Composites and GH3128 Ni-based Superalloy with Ni-Ti Mixed Powder as an Interlayer

通过包埋工艺在C/C复合材料表面制备了改性SiC涂层.采用Ni-Ti粉末作中间层连结材料,利用真空热压扩散工艺成功制备了SiC涂层改性C/C复合材料与GH3128镍基高温合金的连接样件.借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪和材料万能试验机,研究了SiC涂层改性C/C复合材料与GH3128镍基高温合金连接接头及其界面的元素分布、微观结构及力学性能.结果表明,在C/C复合材料表面制备SiC涂层,不仅充分改善了C/C复合材料对Ni-Ti中间层连结材料的润湿性,而且还有效缓解C/C复合材料与GH3128连接界面因热膨胀不匹配而造成的热应力.经过SiC涂层改性处理的连接接头,其室温剪切强度可达22.49 MPa;而没有经过SiC涂层改性处理的连接接头,其室温剪切强度几乎为零.     

制动过程中热应力对C/C复合材料磨损表面形貌的影响

以炭纤维针刺整体毡为预制体,经化学气相渗透和树脂浸渍增密方式得到C/C复合材料。采用有限元分析软件,模拟飞机在正常着陆条件下,刹车盘在制动过程中的热应力分布,并研究热应力对C/C复合材料磨损表面形貌的影响。结果表明:热应力是由于摩擦热的不均匀分布引起的。在摩擦表面外径处温度较高,产生的热应力较大,最大值约为3.15 MPa;而在靠近内径处温度较低,热应力较小,约为1.78 MPa。内、外径处热应力的差异导致磨损表面具有两种不同的组织形貌;靠近外径处的磨损表面比较粗糙,摩擦膜不完整,颜色暗淡,为暗带的组织形貌,摩擦性能较差;而靠近内径处的磨损表面光滑,摩擦膜连续稳定,颜色明亮,为亮带的组织形貌,摩擦性能较好。     

Effect of stress level on fatigue behavior of 2D C/C composites

Laminated carbon fiber clothes were infiltrated to prepare carbon fiber reinforced pyrolytic carbon (C/C) using isothermal chemical vapor infiltration (CVI). The bending fatigue behavior of the infiltrated C/C composites was tested under two different stress levels. The residual strength and modulus of all fatigued samples were tested to investigate the effect of maximum stress level on fatigue behavior of C/C composites. The microstructure and damage mechanism were also investigated. The results showed that the residual strength and modulus of fatigued samples were improved. High stress level is more effective to increase the modulus. And for the increase of flexural strength, high stress level is more effective only in low cycles. The fatigue loading weakens the bonding between the matrix and fiber, and then affects the damage propagation pathway, and increases the energy consumption. So the properties of C/C composites are improved.     

C／C坯体对RMI C／C—SiC复合材料组织的影响

以PAN基炭纤维（Cf）针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍炭化（IC）方法制备了不同炭纤维增强炭基体的多孔C／C坯体，采用反应熔渗（RMI）法制备C／C—SiC复合材料，研究了渗Si前后坯体的密度和组织结构。结果表明：不同C／C坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC相、C相及单质Si相；密度低的坯体熔融渗硅后密度增加较多；密度的增加与开口孔隙度并不是单调增加的关系，IC处理的坯体开口孔隙度低，但渗硅后复合材料的密度增加较多；IC坯体中分布分散的树脂C易与熔渗Si反应，CVI坯体中的热解C仅表层与熔渗Si反应，在Cf和SiC之间有热解C存在；坯体密度相同时，IC处理的坯体中SiC量较多，单质Si相含量少且分散较好，而CVI坯体中SiC量较少，单质Si相的量较多；制备方法相同时，高密度的C／C坯体，渗硅后C相较多。     

Ni-Cr/陶瓷连接界面残余应力有限元分析

采用有限元法分析Ni-Cr合金与陶瓷连接冷却过程中界面残余应力形成的大小和分布特征.结果表明,Ni-Cr合金与陶瓷存在较大的线膨胀系数差,在界面间会产生较大的残余应力,并因为边缘效应在拐角处产生应力集中,残余应力最大值出现在Ni-Cr/陶瓷界面的近瓷侧,可达131 MPa.Ni-Cr/陶瓷界面残余应力σz较大值出现在Ni-Cr/陶瓷界面近瓷侧的狭小区域内,剪应力τzx的较大值出现在金/瓷界面,向合金和陶瓷两侧递减.采用钛中间层缓解了Ni-Cr/陶瓷界面残余应力,使残余应力向钛中间层转移,残余应力σz较大值出现在钛中间层,剪应力τzx最大值出现在Ni-Cr/Ti界面;随着钛中间层厚度增加,界面残余应力σz增大,剪应力τzx变化不大.     

C/C复合材料与镍基高温合金连接接头的力学性能和微观结构

采用Ni、Si粉末作中间层连接材料,利用真空热压工艺成功制备C/C复合材料与镍基高温合金(GH3128)的连接样件。并借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜和材料万能试验机,研究连接温度对其连接接头力学性能和微观结构的影响规律。结果表明,随着连接温度的升高,不仅接头中间层的元素分布更加均匀,而且接头的剪切强度也随之明显增大。当连接温度为1160℃时,连接接头的剪切强度可达12.6MPa。     

热处理对C/C-SiC接头连接强度的影响

C纤维增强C和SiC双基复合材料(C/C-SiC)的连接是其能否得到广泛应用的关键技术之一。采用硼改性酚醛树脂以及B4C和SiO2填料通过反应成形连接工艺连接C/C-SiC,研究热处理温度(300～1000℃)对连接件强度保留率的影响。结果表明,随着热处理温度的升高,强度保留率先降低,在800℃时达到最低值80.6%,然后随着温度进一步升高,强度保留率又升高,在1000℃时达到88.1%,表明连接件具有较好的耐热性能。随着热处理温度的升高,连接层相组成发生变化。连接件经过1000℃处理30min后,连接层由B4C、SiO2和玻璃碳以及无定型B2O3组成,C、Si、O和B元素分布都较为均匀,并在界面处发生了扩散,连接件断裂方式为混合断裂。