通过耦合的动力学-应力调控技术，制备反应层控制的C/C-SiC复合材料/Nb焊接接头

《COMPOSITE STRUCTURES》：Engineering reaction-layer-controlled C/C-SiC composites/Nb brazed joints via coupled kinetic-stress regulation

C/C-SiC复合材料与Nb异种材料接头通过TiFe共晶填充料实现梯度界面设计，研究揭示了反应层((Ti,Nb)C+Ti5Si3)与固溶体(Ti,Nb)及TiFe相的复合结构演化规律，发现随 brazing temperature 升高，反应层厚度增加导致残余应力先降后升，剪切强度在1140℃达到37.3MPa峰值。基于扩散动力学与有限元模拟，建立了接头性能与工艺参数的关联模型，为高温防护系统异种材料连接设计提供理论支撑。

　　

刘 Duo|朱海涛|陈乃斌|康银音|宋彦宇|金贤燮|胡胜鹏|宋晓国

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001，中国

摘要

C/C-SiC复合材料与铌（Nb）的可靠钎焊受到热膨胀失配引起的残余应力以及界面脆化的影响。本研究采用共晶TiFe填充材料在Nb与C/C-SiC复合材料之间创建了一个渐变界面。该界面由(Ti, Nb)固溶体基体、TiFe/(Ti, Nb)固溶体过渡区和(Ti, Nb)C + Ti₅Si₃反应层组成。在Ti₅Si₃/(Ti, Nb)C和Ti₅Si₃/(Ti, Nb)固溶体界面处观察到了密集的位错阵列。随着钎焊温度的升高，界面结构从具有宽缝的薄反应层演变为具有窄缝的厚反应层。接头的剪切强度最初增加，然后在1140°C时达到最大值37.3 MPa。动力学分析表明，(Ti, Nb)C + Ti₅Si₃层的生长遵循由扩散控制的抛物线规律。有限元模拟显示，随着反应层厚度的增加，宏观残余应力先减小后增大。总体而言，本研究系统地探讨了钎焊温度、反应层生长、残余应力及接头强度之间的关系，为C/C-SiC/Nb异种接头在热防护应用中的设计提供了指导。

引言

先进的航空航天系统，如高超音速飞行器和推进部件，在极端空气动力加热和复杂的热机械载荷下运行。为了承受这些苛刻条件，需要采用混合结构设计。碳纤维增强碳和碳化硅（C/C-SiC）复合材料因其低密度、优异的烧蚀抗性和高温稳定性而被用作热防护罩[1]、[2]、[3]。相比之下，耐热金属如铌（Nb）因其优异的蠕变抗性和高温强度而被选用于承重框架[4]、[5]、[6]。因此，开发C/C-SiC复合材料与Nb之间的可靠、高完整性接头是下一代热防护系统结构集成的关键技术要求。

然而，C/C-SiC与Nb的异种连接从根本上受到显著的热机械和化学不相容性的限制。陶瓷复合材料与金属基底之间的热膨胀系数（CTE）和弹性模量的固有差异在钎焊过程的冷却阶段会产生大量残余应力[7]、[8]、[9]。同时，强烈的界面反应常常导致脆性碳化物和硅化物的无控制形成。这些刚性反应层成为潜在的裂纹起始点，并加剧局部应力集中，显著降低接头的机械性能[10]、[11]、[12]。因此，关键挑战是在控制界面反应产物形成的同时尽量减少残余应力。

钎焊技术在较低的热载荷下进行，并能够设计特定的界面，已成为实现可控冶金结合的主要技术[13]。国内外的大量研究表明，基于钛（Ti）的填充材料系统适用于陶瓷基复合材料（CMC）与金属的钎焊，这主要归功于其高化学反应性[14]、[15]。这种反应性改善了填充材料在CMC表面的润湿和扩散行为，促进了包括TiC和Ti₅Si₃在内的反应层的形成。在金属一侧，这一过程形成了基于钛的固溶体或金属间化合物，从而实现了有效的冶金结合。赵等人[16]使用TiNiCuNb填充材料对C/C-SiC和Ti60合金进行了钎焊，观察到C/C-SiC一侧形成了连续的TiC和Ti₅Si₃反应层，而Ti60合金一侧形成了基于钛的固溶体结构。这些界面相促进了C/C-SiC与Ti60之间的冶金结合，使其在室温下的剪切强度达到22.5 MPa。在另一项相关研究中，范等人[17]使用TiZrNiCu填充材料对C_f/SiC与TC4钛合金进行了钎焊，得到的钎焊缝主要由基于钛的固溶体组成，但也含有大量的脆性相，如Ti₂Cu、TiNi和TiZrCu₂。这些脆性相显著降低了接头的机械性能。此外，范等人[18]使用TiZrBe填充材料对C_f/SiC与304不锈钢进行了钎焊，形成的接头主要由基于钛和锆的固溶体组成，但块状TiBe相的连续析出显著降低了接头的延展性。尽管这些研究成功阐明了界面微观结构的演变，但系统地研究扩散动力学、残余应力及宏观机械性能之间的关联仍然有限。

在本研究中，使用了Ti70.5-Fe29.5（原子百分比）共晶填充材料对C/C-SiC和Nb进行钎焊。主要目的是促进钎焊缝中基于钛的固溶体相的形成，并抑制脆性金属间化合物的生成，从而提高C/C-SiC/Nb钎焊接头的可靠性。通过对碳基体和SiC基体表面反应层形成机制的系统性分析，阐明了钎焊过程中界面微观结构的演变。以往的研究主要将这些方面作为独立领域进行研究，因此提供了采用更综合方法的机会。为此，采用了系统的动力学-应力评估方法。在这种方法中，通过有意控制反应层的扩散驱动生长动力学，逐渐调整界面处的硬度梯度，从而系统地调节残余应力的积累，最终优化接头的机械性能。此外，通过结合反应层生长动力学、局部机械表征和热机械有限元模拟，量化了接头内残余应力的厚度依赖性分布。这种综合方法建立了工艺、微观结构、残余应力和强度之间的联系，说明了反应层生长动力学的调控如何影响C/C-SiC/Nb异种接头的宏观应力分布和机械性能。

实验材料与钎焊工艺

本研究中使用的C/C-SiC复合材料含有约50%的SiC基体，其余部分为碳基体和碳纤维。该材料的孔隙率为2–4%，剪切强度约为56 MPa。微观结构特征和X射线衍射（XRD）图案见图1(b1-b4)。C/C-SiC试样被加工成4 × 4 × 4 mm³的块状用于钎焊实验。

C/C-SiC/TiFe/Nb钎焊接头的界面微观结构分析

图2展示了C/C-SiC/TiFe/Nb钎焊接头的典型界面微观结构，表2展示了图2(a)中识别出的特征相的EDS分析结果。钎焊缝主要由浅灰色(Ti, Nb)固溶体基体组成，其中包含灰色的TiFe相岛状结构。在C/C-SiC一侧附近，观察到了连续的深灰色(Ti, Nb)C和Ti₅Si₃反应层。元素分布分析显示，Ti元素的...

(Ti, Nb)C + Ti₅Si₃反应层的热力学和生长动力学分析

图10(a)表明，钎焊过程中的所有界面反应都具有负的吉布斯自由能值，表明在实验温度范围内反应是自发的。吉布斯自由能趋势的分析表明，Ti与C元素以及Ti与Si元素之间的反应驱动力远大于涉及Nb元素的反应[[27]]、[28]]。因此，TiC和Ti₅Si₃相的形成在热力学上更为有利。

结论

本研究采用动力学-应力关联方法详细研究了C/C-SiC-Nb钎焊接头的界面结构，从而优化了反应层并改善了机械性能。主要结论如下：

• (1)
  从Nb向C/C-SiC形成了一个渐变的界面结构，包括(Ti, Nb)固溶体、TiFe相/(Ti, Nb)固溶体以及(Ti, Nb)C + Ti₅Si₃反应层。Ti₅Si₃相与...

CRediT作者贡献声明

刘 Duo：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。 朱海涛：撰写 – 审稿与编辑，可视化制作。 陈乃斌：研究工作，数据管理。 康银音：数据管理。 宋彦宇：撰写 – 审稿与编辑，方法论设计。 金贤燮：撰写 – 审稿与编辑。 胡胜鹏：指导，方法论设计。 宋晓国：资源提供，项目管理工作。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（项目编号：U2541270和52505356）、山东省泰山学者基金（项目编号：tsqn202312139）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023JQ021和ZR2023QE221）、材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室（项目编号：MSWJ-24M07）以及山东省大学青年创新与技术支持计划（项目编号：2024KJH013）的支持。