【摘 要】
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Cf/SiC复合材料具有比强度高、断裂韧性好以及高温性能优异等一系列优点,被认为是最重要的高温结构材料之一。但是,Cf/SiC可加工性较差并且制备成本高昂,这在一定程度上限制了它的应用。因此,将Cf/SiC与加工性好、耐高温且成本较低的金属Nb连接,可弥补Cf/SiC在应用方面的不足,扩展Cf/SiC的应用范围。本文基于相图的理论分析设计了三种Ti基钎料,实现了Cf/SiC与Nb的可靠连接,通过（
【基金项目】
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国家自然科学基金项目U1537206,51621091； 国家重点研发计划（2017YFA0403804）；
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Cf/SiC复合材料具有比强度高、断裂韧性好以及高温性能优异等一系列优点,被认为是最重要的高温结构材料之一。但是,Cf/SiC可加工性较差并且制备成本高昂,这在一定程度上限制了它的应用。因此,将Cf/SiC与加工性好、耐高温且成本较低的金属Nb连接,可弥补Cf/SiC在应用方面的不足,扩展Cf/SiC的应用范围。本文基于相图的理论分析设计了三种Ti基钎料,实现了Cf/SiC与Nb的可靠连接,通过（Ti,Nb）固溶体原位增韧的双相组织钎缝获得了高强度、耐高温的钎焊接头。采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料钎焊Cf/SiC与Nb得到的钎缝组织主要由具有Zr2Cu结构的（Ti,Zr）2（Cu,Ni）金属间化合物构成,由于Zr2Cu相热膨胀系数为26.0×10-6 K-1,与Cf/SiC母材之间存在较大差异(1.6554×10-6 K-1),并且脆性（Ti,Zr）2（Cu,Ni）相无法通过自身变形缓解热应力,钎缝中出现了大量裂纹。针对这一问题,本文首先基于相图的理论分析设计出了Tiss增韧的双相钎缝组织。同时,钎缝组织中的（Ti,Zr）2（Cu,Ni）金属间化合物从Zr2Cu结构变为了Ti2Ni结构,Ti2Ni相的热膨胀系数为6.10×10-6 K-1,因此（Ti,Zr）2（Cu,Ni）相结构的转变有效地缓解了钎缝与母材之间的热膨胀系数不匹配问题。此外,当钎缝中Tiss内含有α-Ti+（Ti,Zr）2（Ni,Cu）的共析组织时接头强度较低,通过提高钎焊温度,利用Nb母材的溶解使Tiss中β-Ti的共析转变得到抑制,接头强度显著提高,此时钎缝组织中Tiss由α-Ti和β-Ti构成。Ti-Zr-Cu-Ni/Ti复合钎料钎焊接头的最优界面结构为（Cf/SiC）/（Ti,Zr）C/（Ti,Nb）ss+（Ti,Zr）2（Ni,Cu）/β-（Ti,Nb）ss/Nb。该接头室温剪切强度为121 MPa,与Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料钎焊Cf/SiC与Nb的接头相比强度提升了278%。β-（Ti,Nb）ss与α-Ti相比具有更低的弹性模量和更好的高温性能。因此,通过引入高温元素Nb,抑制β-Ti共析转变,进一步设计并制备出了由β-（Ti,Nb）ss作为增韧相的双相钎缝组织。相图计算结果表明,当Ti-Zr-Cu-Ni/Nbnp复合钎料中Nb纳米颗粒的添加量超过10 vol.%时,钎料成分位于β-（Ti,Nb）ss和金属间化合物的两相区,并且β-（Ti,Nb）ss的占比随着Nb颗粒添加量的增加而增加。采用Ti-Zr-Cu-Ni/20Nbnp复合粉末钎料焊接接头的典型界面结构为（Cf/SiC）/Ti C/β-（Ti,Nb）ss+Ti2（Ni,Cu）/β-（Ti,Nb）ss/Nb,钎缝中β-（Ti,Nb）ss相弹性模量仅为35.5 GPa。采用Ti-Zr-Cu-Ni/20Nbnp复合粉末钎料在1000℃、保温20min的工艺条件下获得了最优接头,接头室温剪切强度为125 MPa,与非晶粉末钎料钎焊的接头相比提升了290%。同时焊接接头高温热稳定性良好,600℃高温剪切强度为113MPa,与Ti-Zr-Cu-Ni/Ti复合钎料钎焊接头的600℃高温强度相比提升了36%。接头的800℃高温剪切强度仍保持在较高水平,为105 MPa。向钎料中外加韧性组元（Ti箔和Nb粉）的操作给钎焊过程增加了额外的工艺步骤,也增加了复杂构件的装配难度。因此,本文进一步提出并设计了三种新型Nb-Ti Cu合金钎料,三种合金均由Ti Cu和Nbss两相构成。润湿试验表明,钎料液相对C纤维与SiC的润湿性存在差异,在C纤维上完全铺展开,而在SiC上发生了堆积。Nb-Ti Cu钎料钎焊的钎缝组织继承了钎料自身的组织特点,钎缝中央区域主要由Cu4Ti3相和bcc-（Nb,Ti）ss双相组织构成。纳米压痕测得的bcc-（Nb,Ti）ss相弹性模量为53.4 GPa,Cu4Ti3相弹性模量为60.6 GPa,Cu4Ti3相表现出了与原本脆性行为不同的高弹性应变行为,说明该钎缝双相组织中的金属间化合物相并不呈现自身的变形特点,钎缝双相组织表现出了协同变形的特征。Nb15-Ti Cu钎料钎焊接头的典型界面结构为（Cf/SiC）/Ti C/Cu4Ti3+bcc-（Nb,Ti）ss/Nb,焊接接头的平均室温剪切强度为139 MPa,与Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料钎焊Cf/SiC与Nb的接头相比提升了341%,与Ti-Zr-Cu-Ni/Ti复合钎料钎焊接头相比提升了14.9%,与Ti-Zr-Cu-Ni/20Nbnp复合钎料钎焊接头相比提升了11.2%。
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