碳纖維增韌碳基復合材料(以下簡稱碳/碳復合材料)是新一代戰(zhàn)略性熱結構材料，具有散熱快(導熱性高)、溫度上升慢(比熱容高)、耐高溫、質(zhì)量輕、耐久性好等優(yōu)點。適用于制造制動部件、導彈頭、火箭鼻錐、噴嘴喉襯、航天飛機鼻錐、翼前緣、透平發(fā)動機部件等。將碳/碳復合材料與金屬焊接在一起，可以充分利用其與金屬在性能和加工方面的互補優(yōu)勢，滿足零件制造的高性能和精度要求?？梢哉J為，碳/碳復合材料與鈦合金的焊接是成功應用于空間技術和航空技術的關鍵技術之一。

碳/碳復合材料和金屬焊接困難。首先，要解決焊接問題，即焊料需要具有良好的流動性和潤濕性，以便滲透到碳/碳復合材料的內(nèi)部間隙中，實現(xiàn)機械咬合，并與碳/碳復合材料中的碳和碳纖維釬焊或反應形成化合物。第二，由于碳/碳復合材料的線膨脹系數(shù)很小，約為1×10?K1,僅為金屬的1/6~1/16，焊接接頭因熱膨脹失配引起的熱應力需要釋放、緩解或轉(zhuǎn)移。事實上，熱應力是導致碳/碳復合材料和金屬焊接成敗的關鍵因素。

然而，碳/碳復合材料和鈦合金等金屬只能用上述方法直接釬焊200mm2對于大面積焊接，以下小面積焊接往往會導致焊接接頭因熱應力而開裂失效。

為了克服現(xiàn)有技術無法大面積焊接碳/碳復合材料和鈦合金的不足，本文提供了碳/碳復合材料與鈦合金的焊接方法，可以實現(xiàn)碳/碳復合材料與鈦合金的高強度連接。

解決其技術問題的技術方案是：碳/碳復合材料與鈦合金的焊接方法

以下步驟：

1)選擇0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μM厚Cu箔或Cu板疊加形成TiCu中間層，清潔碳/碳復合材料與鈦合金的焊接面，以及Ti箔、Cu箔或Cu板；

2)碳/碳復合材料，Ti箔、Cu箔或Cu板、鈦合金組合成碳/碳復合材料 Ti/Cu 鈦合金的焊接結構放置在真空擴散焊爐的上下壓頭之間，并施加預壓壓實焊件；

3)在擴散焊爐中抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.02～0.1 MPa,并保持，然后以5~8℃/min的速度加熱到910的焊接溫度～1000°℃,保持5～20 min,然后將焊接壓力提升至2～ 4MPa，保持20～40min,以5～7 °C/min的速度降低到500°C后，卸壓，并將其冷卻到室溫。

本文的有益效果是，由于Ti/Cu中間過渡層放置在碳/碳復合材料和鈦合金之間，Ti和Cu發(fā)生共晶反應，產(chǎn)生低熔點液態(tài)金屬，潤濕并擴散并滲透到碳/碳復合材料基體中，與碳/碳復合材料中的碳和碳纖維發(fā)生化學反應，產(chǎn)生化學鍵合；隨著Cu繼續(xù)擴散到液態(tài)金屬中，由于熔點高于焊接溫度，熔點升高，最終凝固。冷卻后，實現(xiàn)機械咬合與化學反應相結合的連接機制；Cu中間層與鈦合金實現(xiàn)擴散焊接冶金的結合，實現(xiàn)碳/碳復合材料與鈦合金的大面積焊接。

本文通過實施例進一步說明。

具體實施方法

碳/碳復合材料與鈦合金的焊接方法主要是將中間過渡層放置在碳/碳復合材料與鈦合金之間。中間層由0.05~0.10mmTi箔和0.4~0.8mm厚Cu板組成，形成碳/碳復合材料 Ti/Cu 鈦合金焊接結構。在碳/碳復合材料和鈦合金之間施加一定的焊接壓力，在真空擴散焊爐中加熱到焊接溫度，并保溫一定時間。在此期間，碳/碳復合材料與中間層之間發(fā)生瞬時液相擴散焊，即Ti和Cu發(fā)生共晶反應，產(chǎn)生低熔點液態(tài)金屬，潤濕擴散并滲透到碳/碳復合材料基體中，與碳/碳復合材料中的碳和碳纖維發(fā)生化學反應，產(chǎn)生化學鍵合。隨著Cu繼續(xù)擴散到液態(tài)金屬中，其熔點升高，最終因其熔點高于焊接溫度而凝固，即“等溫凝固”。機械咬合與化學反應相結合的連接機制在冷卻后實現(xiàn)。擴散焊冶金與Cu中間層與鈦合金相結合。

實施例1:焊接面積900mm2碳/碳復合材料與工業(yè)純鈦TA3焊接。0.018厚度為0.018μm的Ti箔、總厚度為0.4μm的Cu箔。

拋光碳/碳復合材料待焊面，在無水乙醇溶劑中清洗超聲波，去除油污，沖洗干凈。在無水乙醇溶劑中清洗Cu箱。酸洗Ti箔和工業(yè)純鈦TA3去除表面氧化膜，用Cu箔清洗去離子水中的超聲波。

碳/碳復合材料干燥后，Ti箔、焊前裝卡Cu箔和工業(yè)純鈦TA3，組合成碳/碳復合材料 Ti/Cu TA3的焊接結構，放置在真空擴散焊爐的上下壓頭之間，施加預壓壓實焊件。

關閉真空室門，抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.02MPa，然后保持8°C/min的速度升溫到焊接溫度910°C,保溫5min，實現(xiàn)碳/碳復合材料與TiCu中間層之間的瞬時液。

相擴散焊:然后將焊接壓力提高到2MPa，保持20min，實現(xiàn)TiCu中間層和工業(yè)純鈦TA3的擴散焊。最后，7°C/min的速度降低到500°℃后，卸壓，隨爐冷卻至室溫。

碳/碳復合材料與工業(yè)純鈦TA3的接頭焊接后，采用壓剪法進行測試，剪切強度為26 MPa。

實施例2:焊接面積1200mm2碳/碳復合材料與Ti-6Al-4V鈦合金焊接。

厚度為0.03的選擇μm的Ti箔、厚度為0.6μmCu板。研磨、清洗、裝卡方法與實施例1相同。

關閉真空室門，抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.08 MPa,并保持，然后用7°℃/min的速度升溫到焊接溫度960 °C,保溫10 min,實現(xiàn)碳/碳復合材料與中間層之間的瞬時液相擴散焊；然后將焊接壓力提高到3MPa，保持30min，實現(xiàn)中間層與鈦合金的擴散焊。最后，以6C/min的速度冷卻到500°℃后，卸壓，隨爐冷卻至室溫。

碳/碳復合材料與Ti-6Al-4V鈦合金的接頭焊接后，采用壓剪法進行測試，剪切強度為28 MPa。

實施例3:焊接面積1600mm2碳/碳復合材料與Ti-3A1-7mo-11cr鈦合金焊接。

厚度為0.16μm的Ti箔、厚度為0.8μm的Cu板。

研磨、清洗、裝卡方法與實施例1相同。

關閉真空室門，抽真空至6.3×103Pa,焊接壓力為0.1MPa,并保持，然后以5C/min的速度加熱到焊接溫度1萬°℃,保溫20 min,實現(xiàn)碳/碳復合材料與中間層之間的瞬時液相擴散焊；然后將焊接壓力提高到4 MPa,并保持40min，實現(xiàn)中間層和鈦合金的擴散焊。最后，以5C/min的速度冷卻至500C后，卸壓，并隨爐冷卻至室溫。

碳/碳復合材料與Ti-3al-7mo-11cr鈦合金的接頭焊接后，采用壓剪法進行測試，剪切強度為34mpa。