/Al復合材料與TiAl的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維增強鋁基復合材料(即Cf/Al復合材料)是由連續的碳纖維增強體和鋁基體組成，密度約為2.19g/cm3，低于鋁合金的密度，但其彈性模量和軸向抗拉強度卻比鋁合金高出I?3倍，是一種具有廣闊應用前景的新型結構材料。同時Cf/Al復合材料還具有很低的熱膨脹系數和良好的導電導熱性，能在潮濕和輻射環境下保持良好的尺寸穩定性，因此被認為是航空飛行器和衛星天線的首選材料。TiAl合金同樣作為一種輕質高強材料，在航空航天領域也有著較為廣泛的應用。在實際應用中，不可避免的會涉及二者的連接問題。同時，C/A1復合材料與TiAl合金的連接可以拓寬二者的應用范圍，取長補短，因此具有重要的意義。
[0003]然而，由于Cf/Al復合材料與TiAl合金在物理化學性能方面的巨大差異，二者的連接較為困難。TiAl合金熔點遠高于Cf/Al復合材料，常用的焊接方法必須加熱到很高的溫度，此時Cf/Al復合材料中碳纖維和鋁基體間發生界面反應4A1+3C = Al4C3O在Cf/Al復合材料中生成大量的脆性Al4C3，嚴重破壞了母材的性能。采用擴散焊進行連接時，雖然加熱溫度較低，但是需要施加很高的壓力，同樣會破壞Cf/Al復合材料中碳纖維與基體的結合，造成母材的性能下降。釬焊連接時，可以選用熔點較低的鋁基釬料，但是由于釬縫中缺少增強相，獲得的接頭性能較低，不能完全發揮Cf/Al復合材料的性能優點。專利CN102689096A公布了一種采用激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法，并采用T1-Al-C作為放熱中間層，但由于T1、Al、C之間的反應過于微弱，接頭中殘留有大量金屬顆粒，接頭強度較低。專利CN103586582A、CN103600169A公布了激光引燃自蔓延連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法，分別選用N1-Al+AgCuTi和N1-Al-Ti作為中間層，接頭中生成了大量的脆性金屬間化合物，與兩側母材的物理化學性能差異明顯，接頭強度較低。
【發明內容】
[0004]本發明是要解決目前連接Cf/Al復合材料與TiAl時常規焊接方法加熱溫度過高、壓力過大等問題導致Cf/Al復合材料中碳纖維和鋁基體間發生嚴重界面反應、界面結合受到破壞、惡化母材性能，常規自蔓延連接使接頭中產生大量脆性化合物，強度較低的技術問題，提出了一種特種連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法。
[0005]本發明的一種特種連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法是按以下步驟性的:
[0006]一、按重量份數將45份?50份的鈦粉、35份?40份的鋁粉和15份?20份的硼粉混合均勻，得到混合粉體，將混合粉體置于球磨罐內，放入磨球，在氬氣保護和轉速為300r/min?500r/min的條件下球磨2h?3h，得到混合粉末；所述的磨球與混合粉體的質量比為5:1 ；
[0007]二、將步驟一得到的混合粉末壓制成相對密度為60%?80%且厚度為Imm?2mm的中間層壓坯，密封保存；
[0008]三、將Cf/Al復合材料和TiAl的表面用#200、#400、#600和#800的砂紙逐層打磨，
將打磨后的Cf/Al復合材料與TiAl放入丙酮中超聲清洗5min，取出后用電吹風吹干，分別得到干燥的Cf/Al復合材料與TiAl ；
[0009]四、將步驟二密封保存的中間層壓坯置于步驟三得到的干燥的Cf/Al復合材料與TiAl之間，裝配成“三明治”式裝配件，對“三明治”式裝配件施加2MPa的壓力，將激光的光斑對準中間層壓坯進行引燃，待中間層壓坯引燃后，立即關閉激光器，即完成特種連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法；所述的激光的功率為100W。
[0010]本發明采用激光引燃中間層壓坯，利用Al-T1-B中間層壓坯自蔓延反應放出的熱量使兩側母材(Cf/Al和TiAl)局部熔化，在常溫條件下實現Cf/Al復合材料與TiAl的連接。本發明中的中間層壓坯燃燒放熱主要來源于Ti粉與B粉間的反應:Ti+B — TiB2。反應開始時，中間層壓坯受到激光的加熱，Al粉首先熔化并包裹在Ti粉和B粉周圍，Al與Ti之間發生放熱反應:A1+Ti — T1-Al，生成熔融的產物并使中間層溫度升高，進而誘發反應:B+T1-Al — TiB2+Al，生成最終產物TiB2顆粒增強鋁基復合材料。Al-T1-B中間層中的Al雖然最后仍以單質Al的形式保留下來，但是它反應過程中作為中間媒介，使Ti和B間的反應變的容易。由于Ti與B間的反應(Ti+B — TiB2)的化學激活能很高，因此需要對其加熱到很高溫度才能誘發反應。本發明中通過Al的加入，Al與Ti反應生成熔融的中間相(T1-Al化合物)，大大提高了 Ti和B原子的活性，促進了 Ti與B的完全反應。同時Al在中間層產物中作為基體相，在反應過程中能起到填充孔隙的作用，提高接頭的致密度。Al-T1-B中間層反應原位合成的TiB2顆粒增強鋁基復合材料與C f/Al復合材料、TiAl合金具有良好的物理化學相容性，其線膨脹系數介于Cf/Al復合材料和TiAl合金之間，可以有效的緩解線膨脹系數差異所帶來的殘余應力，提高接頭的性能。同時，Al-T1-B中間層的放熱為局部放熱，僅在界面附近對母材進行加熱，不會破壞Cf/Al復合材料，很好地保持了母材的優良特性。
[0011]本發明的優點:
[0012]一、相對于傳統的焊接方法，本發明方法不需要整體加熱，在常溫下用激光引燃中間層自蔓延反應后完成，連接效率較高；
[0013]二、本發明方法不需要對母材加熱到很高的溫度以及施加很大的壓力，母材僅局部短暫受熱，不會破壞Cf/Al復合材料，能很好保持母材的優良特性；
[0014]三、采用本發明方法進行Cf/Al復合材料與TiAl的連接，中間層完全反應并原位合成1182顆粒增強鋁基復合材料，與Cf/Al復合材料、TiAl合金具有良好的物理化學相容性，其線膨脹系數介于Cf/Al復合材料和TiAl合金之間，可以有效地緩解線膨脹系數差異所帶來的殘余應力，提高接頭的性能；
[0015]四、本發明方法連接Cf/Al復合材料與TiAl，中間層與兩側母材達到良好的冶金結合，能獲得性能良好的接頭，接頭強度可達76.85MPa。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的特種連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法示意圖；
[0017]圖2是試驗一完成特種連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法的接頭的SEM圖，區域A為TiAl，區域B為中間層壓坯引燃后的產物，區域C為Cf/Al復合材料。
【具體實施方式】
[0018]【具體實施方式】一:本實施方式是一種特種連接Cf/Al復合材料與TiAl的方法，具體是按以下步驟性的:
[0019]—、按重量份數將45份?50份的鈦粉、35份?40份的鋁粉和15份?20份的硼粉混合均勻，得到混合粉體，將混合粉體置于球磨罐內，放入磨球，在氬氣保護和轉速為300r/min?500r/min的條件下球磨2h?3h，得到混合粉末；所述的磨球與混合粉體的質量比為5:1 ；
[0020]二、將步驟一得到的混合粉末壓制成相對密度為60%?80%且厚度為Imm?2