[發明專利]一種C/C散熱翅片和Ti管的真空釬焊連接方法

有效

• 申請號: 202210034196.0
• 申請日: 2022-01-12
• 公開（公告）號: CN114247947B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 吳靚;周子坤;肖逸鋒;張乾坤;曾毅;熊翔;孫妍;劉茂;胡忠淇;郭景平
• 申請（專利權）人: 湘潭大學;中南大學
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00;B23K1/008;B23K1/20;B23K3/06;B23K101/14;B23K103/18
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本發明公開了一種C/C散熱翅片和Ti管的真空釬焊連接方法。具體工藝步驟為：將Ti管打磨拋光去除氧化膜，超聲清洗后真空烘干待用；將TiZrNiCu合金粉末和質量百分比為3?5％的TiC粉末混合后加入酒精球磨15?18h，球磨后粉末干燥過篩，然后在篩下粉中加入質量百分比為8?10％的油性粘結劑攪拌成膏狀釬料，接著將膏狀釬料填充在C/C散熱翅片和Ti管的連接表面之間并裝配，將裝配件用石墨夾具夾緊后放置于真空爐中，在不低于1×10supgt;?3/supgt;Pa的真空度下以4?7℃/min的速率升溫至920℃并保溫10?20min，最后爐冷卻到室溫后完成連接。本發明提供的連接方法工藝簡單、安全無污染、成本低廉且可靠性高，有效解決了焊接過程中殘余應力大導致的連接件開裂和母材之間潤濕性不足的問題。

技術領域

本發明涉及復合材料與金屬材料的連接方法，具體是一種C/C散熱翅片與?Ti管的真空釬焊連接方法，屬于材料連接領域。

背景技術

隨著人類對宇宙越來越深入的探索，航天器的發展顯得尤為重要。由于航天器的發展理念趨于大功率和長壽命，空間核反應堆成為了航天器電源的主要選擇，而空間核電源的熱電轉換效率低下，需要高效的散熱器來排放大量廢熱以維持電源正常工作。結構簡單、可靠性高的熱管式輻射器是國內外研究最多的空間散熱器。同時，在工作狀況尤為苛刻的航天領域(航天器上大面積的薄板結構、導彈鼻錐體、固體火箭發動機噴管等)，需要散熱材料具有高熱導率、密度低、耐燒蝕、抗氧化及力學性能好等優異的綜合性能，與傳統導熱金屬(如銅、鋁等)相比，C/C復合材料整體等溫性更高，散熱效率更好，并且比金屬材料有著更低的密度和熱膨脹系數、更高的比強度和耐腐蝕性能等，可以取代銅作為熱管式輻射器翅片材料的新選擇。

航天器設計的關鍵在于設備的輕量化，金屬Ti由于其重量輕、比強度高的特征，被多用于航天領域。Ti的導熱系數雖然比碳鋼和銅低，但由于其優異的耐腐蝕性能，Ti管的厚度可以大大減薄，而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝，減少了熱阻，使Ti的換熱性能顯著提高，因此，Ti比起碳鋼和銅是作為航天領域中熱管式輻射器材料的更好選擇。

C/C翅片和Ti管連接后可作為熱管式輻射器運用于航天領域。但是，由于?C/C復合材料和Ti之間的潤濕性較差，再加上兩者熱膨脹系數的差異，會在焊接過程中會產生較大的殘余熱應力而產生C/C管開裂的現象。釬焊可以在無壓力或者小壓力的條件下進行，且對母材的表面工況要求不高，用于C/C翅片與?Ti管之間的連接可以解決母材潤濕性較差的問題并減小殘余熱應力。

目前，國內外關于石墨與金屬的釬焊報道較多，采用的釬料主要有銀基釬料、銅基釬料、鈦基釬料、鎳基釬料和一些貴金屬釬料。貴金屬釬料價格昂貴,?而一般的銀基釬料、銅基釬料使用溫度不超過773K，鎳基釬料釬焊接頭雖然具有較好的高溫性能，但一般的鎳基釬料釬焊溫度都在1273K以上，超過了Ti?的相變溫度，這必然影響母材的性能。TiZrNiCu釬料是在Ti的基礎上加入了降熔元素Zr、Ni和Cu，其熔點在1123K左右，釬焊溫度低于Ti的相變溫度，具有較低連接溫度且較好高溫力學性能的TiZrNiCu釬料是連接C/C和Ti的不錯的選擇。

另一方面，近年來逐漸獲得關注的一種降低釬焊接頭熱應力的方法，是通過在連接層中引入低膨脹系數的增強相，降低連接層的熱膨脹系數，如將Al₂O₃、?SiC和TiN陶瓷顆粒、金屬W顆粒以及C短纖維分別加入到釬料中連接非金屬與金屬材料，均獲得一定的效果。Ti的熱膨脹系數為9.41-10.03×10^-6/℃，C/C?復合材料的徑向熱膨脹系數為5-6×10^-6/℃，而TiC的熱膨脹系數僅為7.74×10^-6?/℃，在釬料中加入TiC不僅可以降低釬料連接層的熱膨脹系數，而且可以在兩種母材之間形成一段熱膨脹系數梯度過渡層，這可以有效降低焊接過程中殘余熱應力的產生并減小接頭和母材的變形，提高焊接接頭的結合強度，從而避免了連接件的開裂傾向。