一种具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法

本发明涉及一种铝基复合材料与钛材料连接方法，属于复合材料连接领域。

背景技术：

1、铝基复合材料凭借低密度、高导热、优异的尺寸稳定性与力学可设计性，在轻量化结构制造领域具备显著优势。相较于传统单一铝合金材料，碳纤维增强铝基复合材料进一步结合了碳纤维高比强度、高比模量、低热膨胀系数的突出特性，有效弥补了传统铝合金模量低、高温刚度差、易形变的短板。该类复合材料兼具金属基体的韧性、导电导热性与碳纤维的高强轻量化优势，可在高温、交变载荷、高精度工况下保持结构稳定，现已广泛应用于航空航天结构件、高端装备承载构件、精密工程结构等核心领域，是先进轻量化金属基复合材料的重点发展方向。

2、然而，现有碳纤维增强铝基复合材料在工程应用中仍存在两大核心技术瓶颈，严重制约其规模化推广应用。其一为碳-铝界面相容性与稳定性差的问题，在复合材料高温制备及服役过程中，碳纤维与铝基体易发生剧烈界面反应，生成脆性碳铝化合物，造成界面结合劣化，极易引发界面脱粘、微裂纹萌生与扩展，大幅降低复合材料整体力学性能与服役可靠性。其二为复合材料连接难题，碳纤维增强铝基复合材料属于难焊特种金属基复合材料，传统熔化焊、钎焊、扩散焊等连接工艺均存在明显缺陷。常规焊接热输入会造成铝基体熔融、碳纤维烧蚀断裂、界面脆性相大量析出，彻底破坏复合材料原有微观结构与力学性能。而机械铆接、粘接等辅助连接方式，存在应力集中明显、连接强度低、密封性与耐疲劳性差等问题，无法满足高端装备高承载、高可靠、长寿命的使用需求。

3、除此之外，现有铝基复合材料与钛合金异质连接体系，还存在铝-钛界面反应不可控的技术难题。钛与铝在高温复合及焊接过程中极易生成高硬度、低韧性的钛铝金属间化合物，此类脆性相易在界面处形成裂纹源，导致连接界面强度不足、抗冲击性能差，造成异质连接接头整体可靠性大幅下降，始终难以实现高强度、高稳定性的一体化连接成型。

4、综上，当前碳纤维增强铝基复合材料普遍存在碳铝界面反应严重、自身可连接性差、与钛合金异质连接界面脆性相多、接头性能劣化明显等技术问题，现有成型及连接工艺难以兼顾材料本体性能与接头连接强度，且普遍存在工艺复杂、成本较高、良品率低的问题。因此，开发一种工艺简单、成本低廉、可实现复合材料与钛合金原位一体成型、能够有效抑制界面有害反应、兼顾本体材料性能与接头连接稳定性的成型连接技术，具有重要的工程应用价值与学术研究意义。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有的碳纤维增强铝基复合材料中界面反应难控制、复合材料难连接、连接后材料性能难保证的问题，提供一种具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法。

2、本发明具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法按照以下步骤进行：

3、一、碳纤维预制成型：

4、将碳纤维加工成设计形状，并进行形态固定，得到碳纤维预制体；

5、二、钛材料嵌合：

6、将钛材料的连接部位加工成能够与步骤一中碳纤维预制体的待连接部位相互嵌合的形状，并将钛材料的连接部位与碳纤维预制体的待连接部位相互嵌合连接，得到坯料，将坯料置于浸渗模具内；

7、三、保温处理：

8、将步骤二得到的坯料及模具进行保温处理；保温处理的温度高于铝材料固相线且低于铝材料液相线；

9、四、铝材料熔体制备：

10、将铝材料进行熔炼得到铝材料熔体；

11、所述熔炼的工艺为：在700-950℃温度下熔炼2-8h；

12、五、压力浸渗与脱模：

13、将铝材料熔体浇注到模具中进行压力浸渗，实现碳纤维增强铝基复合材料与钛合金原位一次成型连接；

14、所述压力浸渗的工艺为：向铝材料熔体施加的压力为100-290mpa，保压时间为5-20min。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明所制备的构件由碳纤维增强相、钛材料及钛材料组成，且通过原位一次成型制备，实现了同时调控铝-碳纤维界面反应和铝-钛界面反应，有效抑制了脆性金属间化合物的过度生长，从而显著提升了界面的结合强度与韧性。

17、2、本发明利用大气环境下压力浸渗技术，通过调控反应动力学过程，找到了同时抑制两种界面反应的工艺窗口，在相对较低温度与较短加压、保压时间下完成浸渗过程，解决了铝-碳纤维界面反应和铝-钛界面反应生成脆性金属间化合物（al4c3及tial3）的问题。浸渗后碳纤维增强铝基复合材料与钛合金间形成冶金结合与机械互锁面结构，极大增强了界面结合强度。

18、3、本发明通过精确控制工艺参数，不仅简化了传统多步连接工艺的复杂性，还确保了材料在复杂应力环境下的结构完整性与可靠性，为航空航天等领域高性能轻量化构件的制造提供了高效、稳定的技术解决方案。

19、4、本发明所采用的嵌合连接与压力浸渗一体化成型工艺，为实现结构复杂、应力敏感试样的连接提供了可靠的路径，且制备工艺简便，成本低廉。现有的焊接方式熔池的出现会导致复合材料性能衰减，特别是铝和碳纤维间浸润性较差，在无压力条件下熔融凝固后，势必出现孔洞、缺陷，本发明可自由设计ti合金连接件的尺寸结构，复杂构件一次成型，构件中钛材料用于应用过程中的焊接，钛材料的焊接热影响区远离构件中的复合材料，避免了损伤铝基体与碳纤维的结合，实现稳定可靠的复合材料连接。

1.一种具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤一所述碳纤维为连续碳纤维，加工的方法为缠绕或编织。

3.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤一所述碳纤维为短切碳纤维或连续碳纤维和短切碳纤维的共混纤维；加工的方法为压制成型。

4.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤一所述形态固定的方法为：采用相同性能的连续碳纤维进行缠绕固定，缠绕过程中连续碳纤维的预紧张力为10-20n。

5.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤一所述碳纤维的弹性模量高于300gpa。

6.根据权利要求3所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：所述共混纤维的制备方法为：将短切碳纤维用挥发性有机溶剂混合，然后进行球磨混合，再将得到的浆料与连续碳纤维混合；球磨的球料比为10:1，所使用的球磨介质为氧化铝。

7.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤一所述短切碳纤维的长度为10-5000μm。

8.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤一所述碳纤维加工成设计形状前涂覆有碳化硅上浆剂或氧化铝上浆剂。

9.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤二所述钛材料为纯钛或钛合金；所述钛合金为ta、tb或tc系钛合金。

10.根据权利要求1所述的具备优异连接功能的碳纤维增强铝基复合材料与钛材料原位一次成型方法，其特征在于：步骤四所述铝材料为纯铝或铝合金；所述铝合金为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金。