界面結(jié)構(gòu)對(duì)C/C復(fù)合材料與CuCrZr合金釬焊接頭性能的影響

(1.鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450001；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 沈陽(yáng)先進(jìn)材料研究發(fā)展中心, 沈陽(yáng) 110016)

0 序 言

ITER裝置偏濾器制造過(guò)程中的重要部件即為碳/碳復(fù)合材料(C/C)與熱沉CuCrZr合金的連接[1-3]。C/C-CuCrZr連接件運(yùn)行過(guò)程中承受周期性高熱流沖擊、機(jī)械載荷和中子轟擊，對(duì)連接件的壽命和可靠性提出了非?？量痰囊?，因此必須保證具有較高的連接強(qiáng)度和抗熱震性能[2-3]。然而，C/C與CuCrZr存在明顯的物理化學(xué)屬性差異，尤其是較大的熱膨脹系數(shù)差異(αC/C=0～2×10-6/K,αCuCrZr=16×10-6～17×10-6/K)導(dǎo)致接頭產(chǎn)生的殘余應(yīng)力必將損傷連接強(qiáng)度。因此，C/C-CuCrZr連接件制造的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題在于如何有效緩解接頭殘余應(yīng)力。目前報(bào)道的C/C與CuCrZr的連接方法中, 活性金屬鑄造法(Active metal casting, AMC)[4]、金屬化法[5-6]和釬焊法[7-9]均采用活性元素(Ti，Cr)提高液態(tài)金屬在C/C表面的潤(rùn)濕性進(jìn)而實(shí)現(xiàn)C/C界面的冶金結(jié)合，但針對(duì)界面結(jié)構(gòu)對(duì)接頭性能影響的相關(guān)研究較少。

文獻(xiàn)[10-11]中報(bào)道了一種以銅為中間層，預(yù)先對(duì)C/C焊接面進(jìn)行激光毛化處理，采用Cu-3.5Si釬料活性釬焊制備C/C-CuCrZr接頭的連接方法，通過(guò)引入中間層和“指接結(jié)構(gòu)”界面協(xié)同作用機(jī)制，接頭表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和抗熱震性能。但這種協(xié)同作用的界面結(jié)構(gòu)對(duì)接頭性能影響機(jī)制尚不清楚。文中通過(guò)考察不同厚度中間層與“指接結(jié)構(gòu)”界面結(jié)構(gòu)在單一或協(xié)同作用機(jī)制下接頭室溫力學(xué)性能、熱震試驗(yàn)后力學(xué)性能以及接頭斷裂模式演變，分析研究界面結(jié)構(gòu)對(duì)C/C-CuCrZr性能的影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用2-D C/C復(fù)合材料，表面設(shè)計(jì)為兩種形態(tài)：①釬焊面為平面；②釬焊面采用激光技術(shù)進(jìn)行打孔處理。中間層為無(wú)氧純銅，加工成0.5 mm, 1 mm, 2 mm厚度的薄片使用。試驗(yàn)釬料為Cu-3.5Si合金，厚度為250 μm。試驗(yàn)采用活性元素為T(mén)iH粉末。試驗(yàn)所用樣品尺寸以及接頭釬焊工藝與文獻(xiàn)[11]相同。

將C/C-CuCrZr釬焊接頭沿垂直于界面方向切割、鑲嵌后研磨、拋光，采用日立掃描電子顯微鏡觀(guān)察接頭界面組織形貌和斷口形貌，采用日本理學(xué)X射線(xiàn)衍射儀分析界面反應(yīng)產(chǎn)物的相組成，采用Instron 5582型材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭室溫和熱震試驗(yàn)后強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，加載速度1 mm/min。 接頭抗熱震性能試驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行，爐溫保持450 ℃恒溫，將樣品直接放爐內(nèi)保溫10 min后快速取出投入20 ℃水中水淬急冷，完成后取出吹干。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭界面形貌

圖1為采用不同表面形態(tài)C/C制備的C/C-Cu接頭界面形貌。圖1a為毛化C/C釬焊接頭界面形貌，可以看出，釬料在C/C和Cu基體均表現(xiàn)出較好的潤(rùn)濕性，激光孔針內(nèi)釬料填充飽滿(mǎn)，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。圖1b為平面C/C釬焊接頭界面形貌，可以看出釬焊界面形成一層1～5 μm厚度的連續(xù)致密的反應(yīng)層，物相為T(mén)iC，SiC和Ti5Si3，反應(yīng)層的生成使得C/C與釬料之間形成完好的冶金結(jié)合[11]。

圖1 C/C-Cu接頭界面形貌

2.2 接頭力學(xué)性能

圖2給出了不同界面結(jié)構(gòu)機(jī)制接頭室溫剪切強(qiáng)度?？梢钥闯?，采用Cu-3.5Si釬料釬焊激光毛化C/C接頭剪切強(qiáng)度均高于50 MPa。中間層為2 mm厚度時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到79 MPa，高于平面C/C接頭強(qiáng)度44 MPa，表明在同樣厚度中間層情況下“指接結(jié)構(gòu)”的增強(qiáng)作用大于中間層。在采用“指接結(jié)構(gòu)”情況下，接頭強(qiáng)度隨中間層厚度增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明采用適當(dāng)厚度中間層可以提高接頭強(qiáng)度。中間層厚度選用最佳范圍在1～2 mm。

2.3 接頭抗熱震性能

接頭單次熱震試驗(yàn)后采用光學(xué)顯微鏡對(duì)接頭釬焊界面尤其是外表面邊角區(qū)C/C釬焊界面進(jìn)行觀(guān)察發(fā)現(xiàn)界面結(jié)構(gòu)對(duì)接頭抗熱震性能影響顯著。采用“指接結(jié)構(gòu)”接頭，中間層厚度在0.5～2 mm時(shí)，50次熱震后接頭基本完好，界面沒(méi)有觀(guān)察到明顯裂紋或剝落等現(xiàn)象，接頭界面形貌如圖3a所示。在不采用中間層情況下，熱震后接頭界面出現(xiàn)裂紋，針孔內(nèi)C/C與釬料界面也出現(xiàn)開(kāi)裂。平面C/C接頭經(jīng)過(guò)12次熱震后，接頭外表面邊角處C/C釬焊界面即出現(xiàn)裂紋，20次熱震后裂紋迅速擴(kuò)展，外表面釬焊界面完全開(kāi)裂，C/C與釬料界面反應(yīng)層已經(jīng)明顯破碎，如圖3b所示。Missirlian等人[12]發(fā)現(xiàn)AMC法制備的CC-Cu接頭經(jīng)過(guò)10 MW/m2、1 000次高熱流試驗(yàn)后界面也出現(xiàn)類(lèi)似的損壞，C/C與反應(yīng)層界面開(kāi)裂。以上試驗(yàn)結(jié)果表明采用毛化C/C制備的接頭抗熱震性能明顯優(yōu)于平面連接接頭。中間層對(duì)提高接頭熱震性能也有積極的影響，未使用中間層的接頭抗熱震性能較差。

圖2 不同界面結(jié)構(gòu)機(jī)制下接頭強(qiáng)度

圖3 接頭熱震試驗(yàn)后界面形貌

C/C與釬料界面形成的反應(yīng)層與兩側(cè)基體形成很強(qiáng)的界面結(jié)合，這種強(qiáng)結(jié)合界面必然導(dǎo)致接頭獲得較高的強(qiáng)度。此外，殘余熱應(yīng)力對(duì)接頭強(qiáng)度也至關(guān)重要。界面反應(yīng)產(chǎn)物TiC, SiC,Ti5Si3線(xiàn)膨脹系數(shù)分別為7.4×10-6/K, 4.8×10-6/K, 11×10-6/K，介于C/C(0～2×10-6/K)與Cu(16.8×10-6/K)之間，這樣接頭便形成線(xiàn)膨脹系數(shù)梯度過(guò)渡的界面結(jié)構(gòu)，有效緩解了接頭熱膨脹系數(shù)的嚴(yán)重不匹配。此外，Cu-3.5Si接頭焊縫接近純銅，這種塑性好、屈服強(qiáng)度低的焊縫組織有利于通過(guò)塑性變形減小接頭殘余應(yīng)力[8-15]，從而提高接頭強(qiáng)度。C/C-CuCrZr接頭主要承受熱載荷，要求接頭具備較高的導(dǎo)熱性能和熱疲勞性能。釬縫在熱震過(guò)程中的性能變化對(duì)接頭熱震性能影響較大。AMC法制備的銅層室溫?zé)釋?dǎo)率120 W/mK，僅為無(wú)氧純銅熱導(dǎo)率的30%，而其屈服強(qiáng)度高達(dá)260 MPa，是無(wú)氧純銅屈服強(qiáng)度的5倍[15]；AMC法制備的銅層中微量Ti,Si固溶元素導(dǎo)致熱傳導(dǎo)能力嚴(yán)重下降，而固溶強(qiáng)化作用使AMC銅的屈服強(qiáng)度又急劇升高。銅熱導(dǎo)率的下降引起釬焊界面熱點(diǎn)溫度急劇升高，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致銅層重熔，界面完整性遭到破壞。這些因素都不利于熱震過(guò)程中緩解接頭殘余應(yīng)力。文中采用Cu-3.5Si釬焊的C/C-CuCrZr接頭形成的純銅焊縫和無(wú)氧銅中間層的界面組織，有效解決了焊縫熱導(dǎo)率和塑性變形難以匹配的問(wèn)題，接頭表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和熱震性能。

2.4 界面結(jié)構(gòu)對(duì)接頭斷裂模式影響

對(duì)接頭剪切試樣斷口形貌進(jìn)行觀(guān)察分析。圖4a為平面C/C接頭斷面照片，接頭斷面平整，表現(xiàn)為典型脆性斷裂特征。對(duì)兩側(cè)斷面進(jìn)行XRD分析，結(jié)果表明金屬側(cè)斷面物相為Cu, TiC, SiC和Ti5Si3，C/C側(cè)斷面物相為Cu, TiC和SiC，表明平面C/C接頭在剪切加載過(guò)程中斷裂發(fā)生在界面反應(yīng)層。

相比而言，采用“指接結(jié)構(gòu)”接頭斷口形貌復(fù)雜，如圖5所示。金屬側(cè)斷面粘撕下來(lái)大量碳纖維和被拔出的釬料針形貌，相對(duì)應(yīng)于C/C側(cè)則形成空的激光孔，同時(shí)呈現(xiàn)大量剪斷的釬料針形貌。斷口分析表明為混合型斷裂，表現(xiàn)出典型的偽塑性斷裂特征，斷裂機(jī)制主要為釬料針的拔出、剪斷和碳纖維的粘撕脫離。斷口形貌分析表明接頭在剪切加載過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展順序發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。毛化接頭裂紋擴(kuò)展路徑部分?jǐn)U散進(jìn)入C/C基體，造成纖維撕裂，部分沿釬料針與C/C結(jié)合界面擴(kuò)展造成釬料針的拔出，部分直接沿釬料針橫截面擴(kuò)展將釬料針剪斷。裂紋擴(kuò)展路徑偏轉(zhuǎn)使裂紋擴(kuò)展路徑增長(zhǎng)，斷裂過(guò)程中消耗更多能量，從而也提高接頭韌性。文中制備的C/C-CuCrZr接頭其斷裂機(jī)理與采用同樣“指接結(jié)構(gòu)”界面結(jié)構(gòu)的C/C-高溫合金接頭斷裂機(jī)理相似[17]，構(gòu)建的這種界面結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的增強(qiáng)增韌作用。界面結(jié)構(gòu)對(duì)接頭的增強(qiáng)機(jī)理在于：一是釬焊過(guò)程中熔滲形成的釬料針起到明顯的釘扎作用。這種釘扎增強(qiáng)作用在制備C/C-Ti[18]，SiC-鋼[19]等陶瓷與金屬接頭方面已得到充分體現(xiàn)。另一方面是增大接頭連接面積，且孔針周?chē)cC/C基體的連接界面同樣形成很強(qiáng)的界面結(jié)合。這種界面結(jié)構(gòu)可以顯著提高接頭可靠性。

圖4 平面C/C接頭斷口形貌

圖5 毛化C/C接頭斷口形貌

3 結(jié) 論

以Cu-3.5Si釬料活性釬焊制備C/C-CuCrZr接頭, 采用銅為中間層, 通過(guò)對(duì)C/C焊接面進(jìn)行激光毛化加工在釬焊界面構(gòu)建“指接結(jié)構(gòu)”的連接界面, 考察了界面結(jié)構(gòu)和中間層對(duì)接頭力學(xué)性能和抗熱震性能影響。

(1)Cu-3.5Si釬料活性釬焊激光毛化C/C，釬料在激光孔內(nèi)填充飽滿(mǎn)，界面形成連續(xù)反應(yīng)層使C/C與釬料界面實(shí)現(xiàn)完好冶金結(jié)合。

(2)Cu-3.5Si釬料釬焊激光毛化C/C接頭剪切強(qiáng)度均高于50 MPa。當(dāng)中間層厚度為2 mm時(shí), 接頭強(qiáng)度達(dá)到79 MPa, 高于平面C/C接頭強(qiáng)度。在同樣厚度中間層情況下“指接結(jié)構(gòu)”的增強(qiáng)作用大于中間層。

(3)采用銅中間層可以明顯提高接頭強(qiáng)度和抗熱震性能, 焊縫純銅組織與銅中間層的配合可以有效緩解接頭殘余應(yīng)力, 提高接頭熱導(dǎo)率,銅中間層厚度以1～2 mm為宜。

(4)“指接結(jié)構(gòu)”連接界面起到顯著的增強(qiáng)增韌作用, 其機(jī)理在于釬焊界面形成的釬料針表現(xiàn)出明顯的釘扎作用，同時(shí)增大接頭有效連接面積,提高接頭可靠性。

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