Высокотемпературные неразъемные соединения керамоматричных композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, с аналогичными и другими углеродсодержащими материалами

Проведен анализ использования методов пайки, реакционного и газофазного связывания и склеивания для получения высокотемпературных неразъемных соединений карбидокремниевых керамоматричных композиционных материалов (КМК) с аналогичными материалами, а также с углеродуглеродными материалами (УУКМ) и графитом. Рассмотрены основные проблемы при соединении КМК с углеродсодержащими материалами, связанные с плохой смачиваемостью КМК расплавами металлов, существенным различием ТКЛР КМК и припоев, с образованием в соединяющем слое веществ с высокой твердостью и хрупкостью. Проведен анализ практического опыта применения методов пайки, реакционного и газофазного связывания, склеивания для соединения КМК типа Cf/SiC с различными углеродсодержащими материалами. Рассмотрены наиболее типичные составы припоев и клеев, технологические режимы процессов соединения. Показано, что эти технологии позволяют создавать надежные и прочные соединения деталей из КМК и различных типов углеродсодержащих материалов.

1. Hanbook of ceramic composites ; ed. by P. Narottam. ― Bansal : Boston, Dordrecht, London : Kluver Academic Publishers, 2005. ― 554 p.

2. Гаршин, А. П. Анализ современного состояния и перспектив коммерческого применения волокнистоармированной карбидкремниевой керамики / А. П. Гаршин, В. И. Кулик, А. С. Нилов // Новые огнеупоры. ― 2012. ― № 2. ― С. 43‒52.

3. Mergia, K. Joining of C f/C and Cf/SiC composites to metals / K. Mergia // Nanocomposites with unique properties and applications in medicine and industry ; еd. by Dr. John Cuppoletti. InTech, 2011. ― P. 239‒266.

4. Zhang, K. Joining of Cf/SiC ceramic matrix composites : a review / K. Zhang, L. Zhang, R. He // Advances in Materials Science and Engineering. ― 2018. ― Vol. 2018. ― Article ID 6176054.

5. Кулик, В. И. Методы пайки для получения не разъемных соединений керамических композиционных материалов с металлами (Обзорная статья)/ В. И. Кулик, А.С. Нилов, Е. А. Богачев, Н. В. Ларионов // Новые огнеупоры. ― 2021. ― № 4. ― С. 42‒52.

6. Гаршин, А. П. Современные технологии полу чения волокнисто-армированных композиционных материалов с керамической огнеупорной матрицей (Обзор) / А. П. Гаршин, В. И. Кулик, С. А. Матвеев, А. С. Нилов // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 4. ― С. 20‒35.

7. Morozumi, S. Bonding mechanism between silicon carbide and thin foils of reactive metals / S. Morozumi, M. Endo, M. Kikuchi // Journal of Materials Science. ― 1985. ― Vol. 20, № 11. ― P. 3976‒3982.

8. Fan, X. M. Oxidation behavior of C/SiC‒Ti3SiC2 at 800‒1300 оC in air / X. M. Fan, X. W. Yin, Y. Z. Ma [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2016. ― Vol. 36. ― P. 2427‒2433.

9. Dong, H. Y. Joining of SiC ceramic-based materials with ternary carbide Ti3SiC2 / H. Y. Dong, S. J. Li, Y. Y. Teng, W. Ma // Materials Science and Engineering: B. ― 2011. ― Vol. 176, № 1. ― P. 60‒64.

10. Fan, D. Correlation between microstructure and mechanical properties of active brazed Cf/SiC composite joints using Ti‒Zr‒Be / D. Fan, J. Huang, X. Sun [et al.] // Materials Science and Engineering: A. ― 2016. ― Vol. 667. ― P. 332‒339.

11. Wang, J. Effects of bonding temperature on the microstructures and mechanical properties of the C/C‒ Cf/SiC composite joint prepared by in situ hot-press diffusion bonding using Ti‒Si‒C compound as interlayer / J. Wang, Y. Xiong, H. Li [et al.] // Materials Research Express. ― 2019. ― Vol. 6, № 11. ― Аrticle № 115620.

12. Tokita, M. Spark plasma sintering (SPS) method, systems, and applications / M. Tokita // Handbook of Advanced Ceramics. ― 2013. ― Ch. 11.2.3. ― P. 1149‒1177.

13. Rizzo, S. Joining of C/SiC composites by spark plasma sintering technique / S. Rizzo, S. Grasso, M. Salvo [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2014. ― Vol. 34, № 4. ― P. 903‒913.

14. Tatarko, P. Flash joining of CVD-SiC coated C f/SiC composites with a Ti interlayer / P. Tatarko, S. Grasso, T. G. Saunders [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 37. ― P. 3841‒3848.

15. Zhao, X. Improved shear strength of SiC-coated 3D C/SiC composite joints with a tailored Ti‒Si‒C interlayer / X. Zhao, L. Duan, Y. Wang // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2018. ― Vol. 39, № 4. ― P. 788‒797.

16. Tatarko, P. Joining of CVD-SiC coated and uncoated fibre reinforced ceramic matrix composites with pre-sintered Ti3SiC2 MAX phase using Spark Plasma Sintering / P. Tatarko, V. Casalegno, C. Hu [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2016. ― Vol. 36. ― Р. 3957‒3967.

17. Zhao, X. Fast-diffusion joining of SiC-coated threedimensional C/SiC composites with a Mo‒W‒Mo interlayer by spark plasma sintering / X. Zhao, L. Duan, W. Liu, Y. Wang // Ceram. Int. ― 2019. ― Vol. 45, № 17. ― Part B. ― P. 23111‒23118.

18. Zhao, X. Fast interdiffusion and Kirkendall effects of SiC-coated C/SiC composites joined by a Ti‒Nb‒Ti interlayer via spark plasma sintering / X. Zhao, L. Duan, Y. Wang // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2019. ― Vol. 39, № 5. ― P. 1757‒1765.

19. Zhao, X. Shear strength enhancement of SiC-coated 3D C/SiC composite joints with a Ni‒Ti‒Nb multiinterlayer by interfacial microstructure tailoring / X. Zhao, L. Duan, W. Liu, Y. Wang // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2019. ― Vol. 39, № 16. ― P. 5473‒5478.

20. Fernie, J. A. Joining of engineering ceramics / J. A. Fernie, R. A. L. Drew, K. M. Knowles // International Materials Reviews. ― 2009. ― Vоl. 54, № 5. ― P. 283‒331.

21. Todt, A. Joining of glassy carbon with a C/C‒SiC composite by brazing for an Innovative high temperature sensor / A. Todt, K. Roder, D. Nestler, B. Wielage // Ceramic Transactions. ― 2014. ― Vol. 248. ― P. 661‒667.

22. Chen, B. Microstructure and strength of Cf/SiC joints with Ag‒Cu‒Ti brazing fillers / B. Chen, H. P. Cheng, W. Mao [et al.] // Journal of Materials Engineering. ― 2010. ― Vol. 329. ― P. 27‒31.

23. Xiong, H. P. Joining of Cf/SiC composite with Pd‒ Co‒V brazing filler / H. P. Xiong, B. Chen, W. Mao, X.-Н. Li // Welding in the World. ― 2012. ― Vol. 56, № 1/2. ― Р. 76‒80.

24. Xiong, H.-P. Joining of Cf/SiC composite with a Cu‒ Au‒Pd‒V brazing filler and interfacial reactions / H.-P. Xiong, B. Chen, Y. Pan, H.-Sh. Zhao // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2014. ― Vol. 34, № 6. ― P. 1481‒1486.

25. Li, W.-W. Reactive brazing Cf/SiC to itself and to Mo using the NiPdPtAu-Cr filler alloy / W.-W. Li, B. Chen, H.P. Xiong, W.-J. Zou // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 37, № 13. ― Р. 3849‒3859.

26. Chen, J. In situ-strengthened C/SiC joint brazed with Cu-based active filler and its performance / J. Chen, S. Dong, X. Zhang // International Journal of Applied Ceramic Technology. ― 2015. ― Vol. 12, № s3. ― Р. E197‒E207.

27. Chen, B. Joining of Cf/SiC composite with AuNi(Cu)‒ Cr brazing fillers and interfacial reactions / B. Chen, H.-P. Xiong, X. Wu, Y.-Y. Cheng // Welding in the World. ― 2016. ― Vol. 60, № 4. ― P. 813‒819.

28. Tong, Q. Liquid infiltration joining of 2D C/SiC / Q. Tong, L. Cheng // Composite Science and Engineering of Composite Materials. ― 2006. ― Vol. 13. ― P. 31‒36.

29. Patent WO 2011/113760 Al. Method of joining parts made of SiC-based materials by non-reactive brazing with addition of a reinforcement, brazing compositions and joint and assembly that are obtained by such a method / V. Chaumat, J. Henne. Опубл. 22.09.2011.

30. Patent US 8678269-B2. Method for assembling, joining parts made of SiC-based materials by nonreactive brazing, brazing compositions, and joint and assembly obtained by said method / V. Chaumat, J.-F. Henne, Miloud-Ali N. Опубл. 25.03.2014.

31. Patent US 7318547 B2. Method for assembling parts made of materials based on SiC by non-reactive refractory brazing, brazing compositions, and joint and assembly obtained by said method / A. Gasse. Опубл. 15.01.2008.

32. Riccardi, B. Joining of SiC based ceramics and composites with Si–16Ti and Si–18Cr eutectic alloys / B. Riccardi, C. A. Nannetti, J. Woltersdorf [et al.] // International Journal of Materials and Product Technology. ― 2004. ― Vol. 20. ― Р. 440‒451.

33. Patent US 2006/0006212. Method of brazing composite materials parts sealed with a silicon-based composition / J. Thebault, C. Bouquet. Опубл. 12.01.2006.

34. Gianchandani, P. K. Pressure-less joining of C/SiC and SiC/SiC by a MoSi2/Si composite / P. K. Gianchandani, V. Casalegno, F. Smeacetto, M. Ferraris // International Journal of Applied Ceramic Technology. ― 2017. ― Vol. 14, № 3. ― P. 305‒312.

35. Smeacetto, F. Ytterbium disilicate-based glassceramic as joining material for ceramic matrix composites / F. Smeacetto, F. D’Isanto, V. Casalegno [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2021. ― Vol. 41. ― P. 1099‒1106.

36. Bacos, M. P. Carbon–сarbon composites: oxidation behavior and coatings protection / M. P. Bacos // Journal de Physique IV. ― 1993. ― Vol. 3. ― P. 1895‒1903.

37. Fu, Q. A multi-interlayer LMAS joint of C/C‒SiC composites and LAS glass ceramics / Q. Fu, F. Zhao, H. Li [et al.] // Journal of Materials Science & Technology. ― 2015. ― Vol. 31. ― Р. 467‒472.

38. Ferraris, M. Joining of machined SiC/SiC composites for thermonuclear fusion reactors / M. Ferraris, M. Salvo, V. Casalegno [et al.] // Journal of Nuclear Materials. ― 2008. ― Vol. 375. ― Р. 410‒415.

39. Katoh, Y. Microstructure and mechanical properties of low-activation glass-ceramic joining and coating for SiC/SiC composites / Y. Katoh, M. Kotani, A. Kohyama [et al.] // Journal of Nuclear Materials. ― 2000. ― Vol. 283. ― Р. 1262‒1266.

40. Salvo, M. Advanced manufacturing routes for metal/composite components for aerospace / М. Salvo // ECCM16 ‒ 16TH European conference on composite materials, Seville, Spain, 22‒26 June 2014. ― Conference Paper, 2014. ― 6 р.

41. Krenkel, W. Carbon fiber reinforced CMC for highperformance structures / W. Krenkel // International Journal of Applied Ceramic Technology. ― 2004. ― Vol. 1, № 2. ― Р. 188‒200.

42. Wu, X. Joining of the Cf/SiC composites by a one-step Si infiltration reaction bonding / X. Wu, B. Pei, Y. Zhu, Zh. Huang // Materials Characterization. ― 2019. ― Vol. 155. ― Article ID 109799.

43. Singh, M. Affordable, robust ceramic joining technology (ARCJoinT) for high temperature applications. In Proceedings of Joining of Advanced and Specialty Materials / M. Singh // ASM International, Materials Park, OH, 1998. ― Р. 1‒5.

44. Пат. 2604530 Российская Федерация. Композиция для соединения керамических композиционных материалов на основе карбида кремния / Каблов Е. Н., Гращенков Д. В., Солнцев С. С., Ваганнова М. Л., Сорокин О. Ю. ― № 2015145235/03 ; заявл. 21.10.15 ; опубл. 10.12.16, Бюл. № 34.

45. Пат. 2415822 Российская Федерация. Способ неразъемного соединения деталей / Богачев Е. А., Лахин А. В., Тимофеев А. Н., Удинцев П. Г., Чунаев В. Ю. ― № 2008140680/03 ; заявл.15.10.08 ; опубл. 10.04.2011, Бюл. № 10.

46. Разина, А. С. Выбор состава металлоперехода для камеры сгорания жидкостного ракетного дви гателя малой тяги / А. С. Разина, Н. П. Асташева // Информационно-технологический вестник. ― 2018. ― № 2 (16). ― С. 149‒155.

47. Bogachev, E. A. MMS Technology: first results and prospects / E. A. Bogachev, A. V. Lahin, A. N. Timofeev // Ceramic Transactions. ― 2014. ― Vol. 248. ― P. 243‒253.

48. Srivastava, V. K. Adhesive bonded single lap and over-lap joints of C/C, C/C-SiC composites and titanium alloy / V. K. Srivastava, S. Singh // Journal of Mechanical Engineering Research. ― 2011. ― Vol. 3, № 5. ― Р. 162‒167.

49. Пат. 2473582 Российская Федерация. Клейкомпаунд / Сыздыков Е. К., Жаворонков А. В., Логинов А. И., Никитин В. В., Удинцев П. Г., Чунаев В. Ю., Воробьев А. С., Руденко Д. А. ― № 2011145927/05 ; заявл. 11.11.11 ; опубл.: 27.01.2013, Бюл. № 3.

50. Chen, X. The effect of high-treatment on the strength of C/C‒SiC joints / X. Chen, S. Li, Z. Chen, N. Wen // Journal of Material Science. ― 2011. ― Vol. 46. ― Р. 707‒714.

51. Chen, X. Joining of C/C‒SiC using boron-modified phenolic resin with SiO2 and B4C additives / X. Chen, S. Li, Zh. Chen // Materials at High Temperatures. ― 2011. ― Vol. 28, № 1. ― Р. 28‒32.

52. Li, S. The effect of high temperature heat-treatment on the strength of C/C to C/C–SiC joints / S. Li, X. Chen, Zh. Chen // Carbon. ― 2010. ― Vol. 48, № 11. ― P. 3042‒3049.

53. Гладких, С. Н. Термо- и жаростойкие клеи для соединения углеродных и керамических материалов / С. Н. Гладких, М. Г. Мокрушин // Клеи. Герметики. Технологии. ― 2010. ― № 3. ― С. 6‒12.

54. Гладких, С. Н. Новые клеи разработки ОАО «КОМПОЗИТ» для изделий ракетно-космической техники / С. Н. Гладких, А. Э. Дворецкий, А. И. Вялов // Адгезионные материалы : труды научно-технической конференции. ― Москва, ВИАМ, 27 апреля 2016 года, 2016. ― 13 с.

55. Сосунов, С. А. Термостойкие соединения углеродных материалов фенолофурфуролоформальдегидными клеями / С. А. Сосунов, Г. В. Комаров, С. В. Бухаров, Г. А. Кравецкий // Пластические массы. ― 2003. ― № 9. ― C. 40, 41.

56. Клей СТЭП-ТК2 [Электронный ресурс] https:// npkstep.ru/wp-content/uploads/2016/07/STEP-TK2NEW.pdf. Дата обращения. 20.12.2020.

57. Liu, H.-L. Technique of joining of Cf/SiC composite via preceramic silicone polysilazane and joining properties / H.-L. Liu, C.-Y. Tian, M.-Z. Wu // Chinese Journal of Nonferrous Metals. ― 2008. ― Vol. 18, № 2. ― Р. 278‒281.

58. Liu, H. Joining of C f/SiC ceramic matrix composite using SiC‒Si3N4 preceramic polymer / H. Liu, S. Li, Z. Chen // Materials Science Forum. ― 2005. ― Vol. 475. ― Р. 1267‒1270.

59. Lu, Y. W. Online-joining of C/SiC‒C/SiC via precursor infiltration and pyrolysis process / Y. W. Lu, Y. D. Zhang, H. F. Hu, Ch. R. Zhang // Key Engineering Materials. ― 2008. ― Vol. 368‒372. ― P. 1044‒1046.

60. Zhang, Y. D. Online-joining of C/SiC‒C/SiC via slurry reaction and precursor infiltration and pyrolysis process with C/SiC pins / Y. D. Zhang, H. F. Hu, Ch. R. Zhang, G. D. Li // Key Engineering Materials. ― 2012. ― Vol. 531/532. ― Р. 135‒140.

61. Петрова, А. П. Термостойкие клеи / А. П. Петрова. ― М. : Химия, 1977. ― 152 с.