第四章+复合材料的焊接(3).ppt
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第四章复合材料的焊接第三节陶瓷基复合材料的焊接现代陶瓷具有耐高温、耐磨性好、硬度高、耐腐蚀性好、重量轻等许多优良的性能。
但陶瓷材料同时也具有致命的缺点,即脆性大,耐热震性能差,而且陶瓷材料对裂纹、气孔、夹杂等细微的缺陷很敏感,这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。
因此,陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。
各种陶瓷韧化途径中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料是一种重要的有效的方法。
一、陶瓷基复合材料的概述1111、陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的定义定义定义定义定义定义:
陶瓷基复合材料是通过在陶瓷基体中引入第二相增强陶瓷基复合材料是通过在陶瓷基体中引入第二相增强材料,以实现增强、增韧的多相材料,又称为多相复合陶材料,以实现增强、增韧的多相材料,又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。
瓷或复相陶瓷。
延性颗粒刚性颗粒金属颗粒,如Ni,Fe,Co等陶瓷颗粒,如SiC,Si3N4等增韧机制:
利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量与热膨胀系数上的差异,在冷却中粒子和基体周围形成残余应力场。
这种应力场与扩展裂纹尖端交互作用,从而产生裂纹偏转、绕道、分支和钉扎等效应,对基体起增韧作用。
颗粒增强陶瓷基复合材料的效果虽然不及纤维和晶须,但由于其原料混合均一化以及烧结致密化都比短纤维及晶须增强复合材料更简便,且易于之辈形状复杂的制品,因而具有广泛的应用价值。
2222、陶瓷基复合材料的分类陶瓷基复合材料的分类陶瓷基复合材料的分类陶瓷基复合材料的分类
(1)颗粒颗粒增强体增强体
(2)晶须增强体晶须增强体如如SiCw,(Si3N4)w,(Al2O3)w等等晶须增强陶瓷基复合材料的性能比短纤维增强陶瓷基复合材料性能优越,它具有较好的断裂韧性、优异的耐高温蠕变性能、均一的强度以及较高的耐磨损性和耐腐蚀性。
(3)纤维增强体纤维增强体如CF碳素纤维,GF玻璃纤维,(Al2O3)f,SiCf等纤维增韧的机理在于:
陶瓷受力时,由于纤维的强度及弹性模量高,大部分应力由纤维承受,减轻了陶瓷的负担;而且纤维还可以阻止裂纹扩展,起到增韧的作用纤维增强陶瓷复合材料的优点:
强度和断裂韧性高,强度均匀,基体断裂应变性能好突出特点:
使用温度范围广和高温强度高;在高温下长时间使用时不发生蠕变,并能在温度反复变化下保持优异的耐冲击性(4)原位生长陶瓷基复合材料。
原位生长陶瓷基复合材料。
通过在基体原料中加入可生成第通过在基体原料中加入可生成第二相的元素或化合物。
二相的元素或化合物。
在陶瓷基体致密化过程中直接通过高温化学反应或相变过程,在陶瓷基体致密化过程中直接通过高温化学反应或相变过程,原位生长比均匀分布的增强相,形成陶瓷基复合材料。
这种陶原位生长比均匀分布的增强相,形成陶瓷基复合材料。
这种陶瓷复合材料的室温和高温力学性能均优于同组分的其他类型复瓷复合材料的室温和高温力学性能均优于同组分的其他类型复合材料。
合材料。
反应合成技术反应合成技术反应合成技术反应合成技术反应合成法又称原位生成复合法反应合成法又称原位生成复合法,是Koczak等首先于1989年提出,但实际上最早出现于1967年前苏联Merehanov用SHS法合成TiB2/Cu功能梯度材料的研究中,随后对于此类材料制备技术的研究和开发应用非常活跃。
复合材料的性能主要取决于增强相的形貌、尺寸、分布和体积分数,以及基体与增强相之间界面的特性。
传统合成技术对增强相的选择及其与基体界面特性的控制方面存在许多问题,如:
增强相颗粒尺寸不能太小、增强相易于偏聚、增强相与基体界面结合不良,在制备或高温使用过程中易于发生界面反应,造成性能的降低等。
此外,这些合成技术往往较为复杂,成本偏高。
针对这种情况,近年来发展一种新的合成技术反应合成或反应合成或原位合成技术原位合成技术u与传统的外加增强相的金属基复合材料相比,与传统的外加增强相的金属基复合材料相比,反应合成具有反应合成具有反应合成具有反应合成具有如下的优点:
如下的优点:
如下的优点:
如下的优点:
增强相由反应合成,细小(0.1-5m)且弥散均匀分布;一般来说,增强相表面无污染,与基体结合良好;增强相热力学稳定,可大幅度提高复合材料的高温性能;具有工艺简便,成本低的特点,并可制得形状复杂,尺寸大的构件,被认为是最有前途实现产业化的工艺技术之一。
根据所用的基体材料,可分为玻璃基复合材料、氧化物陶根据所用的基体材料,可分为玻璃基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。
瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。
玻璃基复合材料玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。
典型的优点是易于制作且增韧效果好。
典型的玻璃基复合材料有的玻璃基复合材料有CfCf石英玻璃、石英玻璃、Nicalon/AsNicalon/As复合材料等。
复合材料等。
玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的存在而容易产生高玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的存在而容易产生高温蠕变,同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶,使性能受温蠕变,同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶,使性能受损,这样使用温度亦受到限制。
损,这样使用温度亦受到限制。
氧化物基陶瓷氧化物基陶瓷的基体主要有的基体主要有MgOMgO、AlAl22OO33、SiOSiO22、ZrOZrO22以及莫以及莫来石等,这些材料均不宜在高应力与高温环境小使用,因为来石等,这些材料均不宜在高应力与高温环境小使用,因为AlAl22OO33、ZrOZrO22的抗热振性能较差;的抗热振性能较差;SiOSiO22易发生高温蠕变和相变;莫来石虽易发生高温蠕变和相变;莫来石虽然有较低的线膨胀系数和良好的抗蠕变性能,但使用温度也不能然有较低的线膨胀系数和良好的抗蠕变性能,但使用温度也不能超过超过12001200。
非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷,如,如SiSi33NN44、SiCSiC等,由于具有较高的强度、弹等,由于具有较高的强度、弹性模量和抗热振性能及优异的高温力学性能而受到重视。
性模量和抗热振性能及优异的高温力学性能而受到重视。
3333、陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的制备工艺的制备工艺的制备工艺的制备工艺CMCCMC的制备过程通常分为两个步骤的制备过程通常分为两个步骤:
首先将增强材料掺入未固结的(或粉末状的)基体材料中;使基体固结。
(11)连续纤维增强连续纤维增强CMCCMC成型工艺成型工艺连续纤维增强CMC制备方法有料浆浸渍及热压烧结法、化学气相沉积(CVD)法、直接氧化沉积法、先驱体热解法等。
1111)料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法优点优点:
比常压烧结的烧结温度低,时间短,致密度高;缺点缺点:
生产效率低、工艺成本较高,纤维与基体的比例难控制,只能制备单向纤维增强制品。
料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法制备纤维增韧CMC的工艺流程料浆浸渍工艺过程料浆浸渍工艺过程2222)化学气相沉积()化学气相沉积()化学气相沉积()化学气相沉积(CVDCVDCVDCVD)法)法)法)法具有贯通间隙的增强体坯件或纤维编织骨架中沉积陶瓷基体制备CMC。
化学气相沉积工艺过程原理图。
优点优点:
纤维受到的机械、化学损伤小,可以制备多向排布和编织和复杂形状的CMC;缺点缺点:
生产周期长、效率低、成本高,难以制备高致密性的CMC。
化学气相沉积工艺过程原理图化学气相沉积工艺过程原理图3333)直接氧化沉积法)直接氧化沉积法)直接氧化沉积法)直接氧化沉积法方法方法:
将纤维预制体置于熔融金属上面,添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝,在氧化气氛中,不断地浸渍预制体,在浸渍过程中,熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。
随着时间的延长,边浸渍边氧化,最终可制得纤维增强CMC。
优点优点:
纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异,工艺简单、效率高成本低;4444)先驱体热解法)先驱体热解法)先驱体热解法)先驱体热解法方法:
方法:
将单独合成的先驱体,通过加温调节其粘度,在高压-真空联合作用下使其浸渗进入并充满多向纤维编织坯件的空隙,在高温下使先驱体热解。
热解时低分子产物从坯件中逸出,留在空隙间的产物即形成陶瓷基体。
优点优点:
热解温度热压烧结温度,可减少界面的有害化学反应;热解在常压下进行,可以避免对纤维的机械损伤,可制备形状复杂和尺寸准确的制品。
缺点缺点:
生产周期长,密度热压烧结(22)晶须(短纤维)补强晶须(短纤维)补强CMCCMC成型工艺成型工艺外加晶须(短切纤维)补强CMC成型工艺制备过程:
晶须(短切纤维)分散、晶须(短切纤维)与基体原料混合、成型烧结。
成型方法:
压力渗滤法、烧结法、先驱体热解法和化学气相沉积法原位生长晶须补强CMC成型工艺方法:
通过化学反应在陶瓷基体中原位生成补强组元(晶须)。
(33)颗粒弥散型颗粒弥散型CMCCMC的成型工艺的成型工艺基本过程:
颗粒弥散型CMC的增强材料和基体的原料均为粉料,因此混料方法多采用球磨。
混合料干燥先成型为坯件烧结。
烧结方法:
常压烧结工艺和反应烧结。
44、陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用CMC的使用温度:
主要取决于基体特性,其工作温度按下列基体材料依次提高:
玻璃玻璃陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷其最高使用温度可达1900。
主要应用领域:
刀具、滑动器件、航空航天构件、发动机构件、能源构件等。
应用例应用例制动件:
法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制作超高速列车的制动件,取得了传统制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性;航空航天领域:
CMC制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件等也都收到了满意的效果;燃气轮机高温部件:
汽轮机的进口温度高达1400,美国、德国、瑞典等国都在开展用CMC取代高温合金的研究在核工业、航空航天工业以及电真空器件生产中,陶瓷基复在核工业、航空航天工业以及电真空器件生产中,陶瓷基复合材料的焊接占有非常重要的地位。
目前通常遇到的陶瓷基复合合材料的焊接占有非常重要的地位。
目前通常遇到的陶瓷基复合材料的焊接有如下几种形式:
材料的焊接有如下几种形式:
陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料的焊接陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料的焊接陶瓷基复合材料与金属材料之间的焊接陶瓷基复合材料与金属材料之间的焊接陶瓷基复合材料与非金属之间的焊接陶瓷基复合材料与非金属之间的焊接陶瓷基复合材料与半导体材料之间的焊接等。
陶瓷基复合材料与半导体材料之间的焊接等。
二、陶瓷基复合材料焊接的基本特点
(1)
(1)陶瓷基复合材料具有陶瓷连接的难点。
陶瓷基复合材料具有陶瓷连接的难点。
高熔点及有些陶瓷的高温分解使熔焊困难陶瓷的电绝缘性使之不能用电弧或电阻焊进行连接陶瓷的固有脆性使之无法承受焊接热应力陶瓷材料的塑性韧性差使之不能施加很大的压力进行固相连接陶瓷的化学惰性使之不易润湿而造成钎焊困难。
1、陶瓷基复合材料的焊接性
(2)陶瓷基复合材料连接时,在选择连接方法与材料时,要考虑对基体材料与增强材料的适应性。
(3)应考虑避免增强相与基体之间的不利界面反应,不能造成增强相的氧化及性能的降低等,因此连接温度不能太高,时间也不能太长。
(4)由于纤维增强的陶瓷基复合材料的耐压性能较差或受到限制,连接过程中不能施加较大的压力。
2、晶须或颗粒增强陶瓷基复合材料焊接的基本特点这类复合材料的焊接类似于单质陶瓷的焊接,一般来说,可以用焊接单质陶瓷同样的工艺来焊接这类复合材料。
这是因为许多陶瓷材料本身都可以归属于广义的复合材料;在大多数情况下,复合材料的表面呈现其基体相的特征,由此可见,陶瓷基复合材料焊接的基本原则与陶瓷焊接的基本原则是相同的。
注意:
注意:
注意:
注意:
与金属材料不同不同的陶瓷基体具有不同的键合类型,例如离子键、共价键、离子键与共价键的混合形式等。
焊接时往往需要暂时地或局部地破坏材料的原子键合,并建立起新的键合,因此,不同键合类型的陶瓷基复合材料需要采用不同的焊接方法。
陶瓷基体的状态影响焊接方法的选择
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- 第四 复合材料 焊接