基于汽車道路載荷譜的鋁合金腐蝕疲勞機理及性能研究

基于汽車道路載荷譜的鋁合金腐蝕疲勞機理及性能研究

一、研究背景與意義

連續碳化硅纖維增強碳化硅復合材料（SiC_f/SiC）因其低密度、高比強度、優異的高溫穩定性、抗輻照性能、耐腐蝕性和良好的熱傳導性能，成為第四代核能系統、聚變堆以及先進航空發動機等服役環境下的理想結構材料。其在核領域的潛在應用包括燃料包殼管、控制棒導向管、中間熱交換器和高溫管道等關鍵部件。

然而，SiC_f/SiC復合材料在實際應用中面臨一個關鍵技術難題：高可靠連接。由于SiC基體本身具有高硬度、高化學惰性和低熱膨脹系數，傳統焊接方法難以實現有效連接，而機械連接則存在密封性差、結構復雜、可靠性低等問題。因此，開發適用于SiC_f/SiC的高質量連接技術，是推動其在核能用途中工程化應用的前提。

二、研究目標與方法

本研究以AgCuTi活性釬料為連接介質，采用真空釬焊工藝，對CVI（化學氣相浸滲）工藝制備的SiC_f/SiC復合材料進行連接實驗。通過設定不同的釬焊溫度（850°C、870°C、890°C），系統研究溫度對接頭微觀組織演變、界面反應產物及力學性能的影響。

試驗過程中，采用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）等手段對接頭界面組織結構進行表征，并通過熱模擬試驗機測試其剪切強度，以評估連接質量與失效機制。

三、主要研究結果

1. 連接可行性：AgCuTi釬料在SiC_f/SiC表面潤濕性良好，能夠實現穩定連接。焊前對SiC_f/SiC表面進行打磨處理，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度。

2. 界面組織演化：

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

- 溫度升高至870°C，Ti元素擴散增強，Ti₅Si₃相開始彌散分布于焊縫中，界面結合更加緊密；

- 當溫度達到890°C時，Ti與SiC反應充分，TiC成為反應層主導相，Ti₅Si₃相彌散分布，界面結構致密、連續，顯著提高了接頭的力學性能。

3. 力學性能變化：

- 接頭剪切強度隨釬焊溫度升高呈上升趨勢；

- 在890°C、保溫10min條件下，接頭平均剪切強度達到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變為母材內部斷裂，表明接頭強度已接近或超過SiC_f/SiC本身，連接質量優異。

四、結論與展望

本研究成功實現了SiC_f/SiC復合材料的活性釬焊連接，揭示了釬焊溫度對接頭微觀組織與力學性能的調控機制。研究表明，適當的釬焊溫度（如890°C）有助于形成理想的TiC+Ti₅Si₃復合反應層，提升界面結合強度，實現高強度連接。

該成果不僅為SiC_f/SiC復合材料在核反應堆等高溫、輻照環境下的可靠連接提供了實驗依據，也為后續開發新型釬料體系、多材料異種連接及結構完整性評估提供了理論支撐和技術路徑。