基于汽車(chē)道路載荷譜的鋁合金腐蝕疲勞機(jī)理及性能研究

一、研究背景與意義

連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料（SiC_f/SiC）因其低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、抗輻照性能、耐腐蝕性和良好的熱傳導(dǎo)性能，成為第四代核能系統(tǒng)、聚變堆以及先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)等服役環(huán)境下的理想結(jié)構(gòu)材料。其在核領(lǐng)域的潛在應(yīng)用包括燃料包殼管、控制棒導(dǎo)向管、中間熱交換器和高溫管道等關(guān)鍵部件。

然而，SiC_f/SiC復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中面臨一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題：高可靠連接。由于SiC基體本身具有高硬度、高化學(xué)惰性和低熱膨脹系數(shù)，傳統(tǒng)焊接方法難以實(shí)現(xiàn)有效連接，而機(jī)械連接則存在密封性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)適用于SiC_f/SiC的高質(zhì)量連接技術(shù)，是推動(dòng)其在核能用途中工程化應(yīng)用的前提。

二、研究目標(biāo)與方法

本研究以AgCuTi活性釬料為連接介質(zhì)，采用真空釬焊工藝，對(duì)CVI（化學(xué)氣相浸滲）工藝制備的SiC_f/SiC復(fù)合材料進(jìn)行連接實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)定不同的釬焊溫度（850°C、870°C、890°C），系統(tǒng)研究溫度對(duì)接頭微觀(guān)組織演變、界面反應(yīng)產(chǎn)物及力學(xué)性能的影響。

試驗(yàn)過(guò)程中，采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）等手段對(duì)接頭界面組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并通過(guò)熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其剪切強(qiáng)度，以評(píng)估連接質(zhì)量與失效機(jī)制。

三、主要研究結(jié)果

1. 連接可行性：AgCuTi釬料在SiC_f/SiC表面潤(rùn)濕性良好，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定連接。焊前對(duì)SiC_f/SiC表面進(jìn)行打磨處理，可有效增加釬料與母材的接觸面積，顯著提升接頭的剪切強(qiáng)度。

2. 界面組織演化：

- 在850°C時(shí)，Ti元素主要富集于界面，形成初步的TiC與Ti₅Si₃反應(yīng)層，但組織不夠均勻，存在較多孔隙與缺陷；

- 溫度升高至870°C，Ti元素?cái)U(kuò)散增強(qiáng)，Ti₅Si₃相開(kāi)始彌散分布于焊縫中，界面結(jié)合更加緊密；

- 當(dāng)溫度達(dá)到890°C時(shí)，Ti與SiC反應(yīng)充分，TiC成為反應(yīng)層主導(dǎo)相，Ti₅Si₃相彌散分布，界面結(jié)構(gòu)致密、連續(xù)，顯著提高了接頭的力學(xué)性能。

3. 力學(xué)性能變化：

- 接頭剪切強(qiáng)度隨釬焊溫度升高呈上升趨勢(shì)；

- 在890°C、保溫10min條件下，接頭平均剪切強(qiáng)度達(dá)到40 MPa，為三種溫度中最高；

- 斷裂路徑由初期的界面斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟覆膬?nèi)部斷裂，表明接頭強(qiáng)度已接近或超過(guò)SiC_f/SiC本身，連接質(zhì)量?jī)?yōu)異。

四、結(jié)論與展望

本研究成功實(shí)現(xiàn)了SiC_f/SiC復(fù)合材料的活性釬焊連接，揭示了釬焊溫度對(duì)接頭微觀(guān)組織與力學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制。研究表明，適當(dāng)?shù)拟F焊溫度（如890°C）有助于形成理想的TiC+Ti₅Si₃復(fù)合反應(yīng)層，提升界面結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度連接。

該成果不僅為SiC_f/SiC復(fù)合材料在核反應(yīng)堆等高溫、輻照環(huán)境下的可靠連接提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為后續(xù)開(kāi)發(fā)新型釬料體系、多材料異種連接及結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供了理論支撐和技術(shù)路徑。