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SiC颗粒增强铝基复合材料的钎焊性
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哈工大_钎焊_杨建国 19.第04章 铝基复合材料钎焊
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SiC颗粒增强铝基复合材料钎焊技术研究
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(华东船舶工业学院 焊接系，江苏 镇江 212003) 摘要：采用Al-28Cu-5Si-2Mg钎料，对SiCp/2024Al复合材料进行真空钎焊连接。试验结果表明：钎焊温度、保温时间、SiC颗粒的体积分数以及焊后时效处理均会影响SiCp/2024Al复合材料钎焊接头的连接强度；钎缝中有少量SiC颗粒存在，且分布不均匀；在靠近母材处出现贫化区，在钎缝中心两侧有较小的集聚区。提高液态钎料对SiC的润湿性，降低连接区的弱连接比例，减少过渡到钎缝的SiC颗粒，都是改善钎焊连接强度的重要途径。 关键词：铝基复合材料；真空钎焊；接头强度 颗粒增强铝基复合材料是目前普遍公认的最有竞争力的金属基复合材料品种之一，已成为当今世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，其中SiC颗粒增强铝基复合材料发展最快[1]。但由于铝基复合材料复杂的宏观和微观结构，使得其连接要比单一均质材料复杂得多。受连接方法的制约，铝基复合材料在很多领域的应用都受到限制。目前的研究表明，SiC颗粒增强铝基复合材料的连接主要包括熔化焊、固相焊、钎焊三大类，而钎焊和固相焊中的瞬间液相焊是比较合适的方法[2，3]。 对于SiC颗粒增强铝合金基复合材料，钎焊连接方面的研究报道很少。这是因为铝合金基复合材料中连续相是基体铝合金，除了SiC增强体对钎焊性的不利影响外，还存在铝合金本身钎焊性不良的问题。对于SiCp/2024Al复合材料而言，基体2024铝合金的钎焊加热温度超过505℃，会产生明显的过烧而导致钎焊接头强度和塑性显著下降。除非采用快速加热的钎焊方法，否则不宜进行钎焊。因此，这些铝合金的复合材料的钎焊也存在相当大的困难[4]。目前，有关SiC颗粒增强的铝合金基复合材料的钎焊研究还没有取得明显进展。 本文采用低熔点的Al-28Cu-5Si-2Mg钎料在真空中对SiCp/2024Al复合材料的钎焊连接进行了探索，研究了钎焊工艺参数对接头组织和强度的影响，并分析了钎焊连接和断裂机理。 1 试验材料与方法 试验材料为SiCp/2024Al复合材料。复合材料所用的基体2024铝合金为“冷轧+固溶淬火+自然时效”状态。增强相SiCp为市售磨料α-SiC颗粒。复合材料组成和力学性能如表1所示。连接试样尺寸为ф8mm×5mm。试验用钎料为Al-28Cu-5Si-2Mg，厚度为100μm，熔化温度范围为525-535℃。 连接前，铝基复合材料的待连接表面用800#金相砂纸打磨，Al-28Cu-5Si-2Mg钎料被机械减薄至所需尺寸。随后将连接试样和钎料片进行超声波清洗。钎焊连接试验在高频真空感应加热炉中进行。本试验采用两种压力方式，一种为无压钎焊连接，即在装配好的试样上放置质量为40g的小压块，使连接表面之间实现有效接触；另一种为加压钎焊连接，即连接过程中在试样上施加2MPa的压力。当真空度达到2×10-3Pa以上时，开始加热，升温速度均为20℃/min，在连接温度下保温预定的时间，随后随炉冷却到室温。整个连接过程中真空度始终保持在2×10-3 Pa以上。 钎焊试验后，将试样切割成直径为5mm的剪切强度试样。随后在JM-500拉伸试验机上测定钎焊接头剪切强度。接头剪切强度以3个试样的平均值评定。剪切试验后用JXA-840A型扫描电子显微镜观察断口微观形貌。对连接界面区域用金相显微镜和扫描电镜观察微观形貌。用EDX分析钎缝成分。 2 试验结果与分析 2. 1 钎焊工艺对接头强度的影响 在一定的钎焊温度下(550℃)，保温时间对接头强度的影响如图1所示。随着保温时间增加，接头强度增加，保温时间为3min时强度最大，达33MPa，随后强度又降低。 在一定的保温时间下(4min)，钎焊温度对接头强度的影响如图2所示。在本文的试验范围内，随着温度的升高焊接接头的强度逐渐升高，在550℃4min时接头剪切强度达到最高，为32MPa，继续升高温度刚强度下降。 钎焊温度和时间是影响铝基复合材料钎焊质量的主要工艺参数。当连接温度较低、时间较短时，钎料可能熔化不足，并且固体SiC颗粒聚集在钎缝界面上，大大增加了液态钎料的粘滞性，液态钎料对母材的润湿性降低，严重影响钎料的流动和填缝，致使钎缝结合率不高，影响其结合强度，导致接头剪切强度降低；连接温度过高、时间过长时，由于母材发生区域熔化加剧，钎料与母材间的相互作用加强，致使SiC颗粒聚集严重，母材过烧，晶粒过分粗大，若进一步升高温度，延长时间，则钎料流失，母材熔蚀，晶粒严重长大，并出现大量空隙、气孔等，导致接头剪切强度下降。 对体积分数为10％的SiCp/2024Al复合材料，在钎焊温度为550℃、保温时间为3min、连接压力为2MPa时，钎焊接头的剪切强度大大增加，达到160MPa。钎缝很难观察到，几乎达到母材的强度。但母材有很大的变形，故过大的钎焊压力几乎没有实用意义。 2．2 增强相体积分数对接头强度的影响 由图1可见．在试验温度为550℃、保温时间为3min时，随着增强相SiC颗粒体积分数增加，钎焊接头的剪切强度显著降低。从钎焊机理来看，显然，钎焊连接过程(钎料对母材的润湿、铺展及冶金相互作用)首先是在复合材料表面进行的。从增强相在复合材料表面的分布几率看，当增强相体积分数增大时，必然在铝墓复合材料表面露出被切割开的SiC颗粒增多，但位于连接表面上的SiC颗粒，在它被切割开的表面上没有复合材料制备时为改善与基体的润湿性而添加的覆盖层，这也就意味在连接温度下这一部分表面和熔融铝基体、钎料之间的润湿性比较差，导致形成弱连接，从概率统计分布方面分析，铝基复合材料中增强相体积分数增加时，整个钎焊面上的增强相-钎缝金属弱连接相对的比例也相应增加，必然导致整个钎焊接头强度的下降。 2．3 焊后固溶、时效对接头强度的影响 由于SiCp/2024Al复合材料是以2024铝合金为基体材料，经钎焊热循环后母材及钎缝均发生软化，因此焊后必须进行再次强化处理。试验证明：对增强相体积分数为25％的SiCp/2024Al复合材料钎焊接头焊后及时固溶、时效处理(固溶处理工艺为495℃ 30min，水淬；时效处理采用分级时效100℃ 2h+190℃ 2h)，接头强度可提高一倍以上，达35MPa，如图1所示。因此，焊后时效强化是非常必要的。 3 讨 论 3．1 接头微观形貌及特征 针焊温度为550℃、不同保温时间下钎焊接头的微观形貌如图3所示。可以看出，在保温时间为2min时，接头中存在明显的钎缝层。在钎缝局部区域发现有黑色夹杂物存在，对该黑色夹杂物进行定量点分析，可确定为铝的氧化物。随着保温时间增加，钎料和母材的冶金作用加强，钎缝层越来越不明显，且在接头的连接区中发现有SiC颗粒存在。图4为钎焊温度550℃、保温3min时接头界面的电镜微观形貌，从中可以看到钎缝中存在的SiC颗粒。在电镜下观察其钎缝断口形貌，并结合EDX成分分析，发现在钎缝中确实存在SiC颗粒，见图5中黑色B处。这是由于钎焊保温加热过程中母材晶界处发生区域熔化，从而带动位于晶界的少量SiC颗粒向钎缝中过渡。另外钎料中的Si、Cu向母材中扩散，使得母材近钎缝区Si、Cu含量增加，液相线温度下降，亦会导致界面区的局部熔化，使SiC颗粒向钎缝中过渡。过渡到钎缝小的SiC颗粒和钎缝金属之间亦是弱连接，使其连接强度进一步降低。 从图4中还可以发现在钎缝中存在SiC颗粒分布不均匀的现象，这是复合材料钎焊所产生的特殊现象。林丽华[5]等人以及R．Klehn[6]均也有同样的发现。这是由于过渡到钎缝中的SiC颗粒在随后的冷却结晶过程中，SiC颗粒不能成为形核中心而被排斥推向尚未凝固的钎缝界面区，从而在靠近母材一侧先结晶的钎缝金属中含SiC颗粒较少，即存在一个SiC颗粒的贫化区。而被排斥的SiC颗粒则被推向钎缝中心，在紧靠贫化区的界面附近形成一个SiC颗粒集聚区。从图4中还可以看到，两侧贫化区的宽度比集聚区的宽度大得多。因此，为了尽量避免SiC颗粒过渡到钎缝所带来的不利影响，在钎焊过程中应尽可能缩短钎焊在高温的停留时间。 3．2 SiCp/2024Al复合材料钎焊性 Al-28Cu-5Si共晶钎料是铝用硬钎料中熔点最低的。Si、Cu是表面活性元素，可使液态钎料的表面张力大为减小，从而改善润湿性[7]。但试验结果表明：Al-28Cu-5Si钎料在真空不能实现对SiCp/2024Al复合材料的钎焊连接，而采用A1-28Cu-5Si-2Mg钎料，却能实现对SiCp/2024Al复合材料的钎焊连接。显然合金元素Mg起了关键的作用。低蒸气压的Mg在真空条件下除了进一步消除气氛中残存的氧和水外，还能渗入膜下母材表层，与扩散进入的Si一起，使此表层形成低熔点的Al-Si-Mg合金而熔化，从而破坏表面氧化膜与母材的结合，使熔化的钎料得以润湿母材，在膜下沿母材铺展，并将表面膜浮起而除去[8]。另外，Mg的表面活性作用也很强，Mg富集于铝液表面，使表面张力大大降低，明显改善钎料对SiCp/2024Al复合材料的润湿性。 2024铝合金的钎焊加热温度超过500℃就会发生过烧现象。本文的钎焊温度均高于复合材料的起始熔融温度。但接头的组织和性能表明，并未出现明显的变形和过烧现象。这是因为在2024铝合金中加入10％的SiC颗粒后，复合材料的起始熔融温度就开始上升，本文采用的高频感应加热有利于实现快速的钎焊加热和冷却，这也是实现对SiCp/2024Al复合材料的钎焊连接的重要因素。事实上在气体保护和真空电阻炉中均很难得到良好的SiCp/2024Al复合材料的钎焊连接接头。 4 结 论 (1)钎焊工艺参数、SiC颗粒的体积分数以及焊后的时效处理均会影响SiCp/2024Al复合材料钎焊接头的连接强度。 (2)在本文的试验条件下，SiCp/2024Al复合材料的钎缝中有少量SiC颗粒存在，且分布不均匀。在靠近母材处出现贫化区，在钎缝中心两侧有较小的集聚区。 (3)提高液态钎料对SiC的润湿性，降低连接区的弱连接比例，减少过渡到钎缝中的SiC颗粒，都是改善钎焊连接强度的重要途径。 参考文献： [1] 曾汉民．高技术新材料要览[M]．北京：中国科学技术出版社，1993． [2] Ellis M B D Joining of Aluminum Based Metal Matrix Composites[J]．International Materials Reviews，)：41-58． [3] Cam G，Kocak M．Progress in Joining of Advanced Materials[J]．International Materiale Reviews，)：1-44． [4] 张新平，魏 巍．非连续体SiC增强铝基复合材料的钎焊与扩散焊及熔化焊、固相烽研究现状[A]．第九届全国钎焊/扩散技术交流会论文集[C]．． [5] 林丽华，唐逸民，陈立功，等．碳化硅颗粒增强铝基复合材料SiCp/LD2的钎焊机理[J]．焊接学报，)：12-17． [6] Klehn R and Eager T W．Joining of 6061 Aluminum Matrix-Ceramic Particle Reinforced Composites[J]．WRC Bulletin，385/spt．． [7] 马晓春，吴锦波．Al-SiC系润湿性与界面现象的研究[J]．材料科学与工程，)：37-41． [8] 张启运，庄鸿寿．钎焊手册[M]．北京：机械工业出版社，1999．
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