亞微米級(jí)Al2O3p6061Al鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊接

1、亞微米級(jí)Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊接     摘要 本文以亞微米級(jí)Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料為對(duì)象，研究了直接擴(kuò)散焊與采用中間層擴(kuò)散焊兩種工藝焊接鋁基復(fù)合材料的特點(diǎn)、機(jī)理，分析了中間層對(duì)接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在鋁基復(fù)合材料液、固溫度區(qū)間，存在“臨界溫度區(qū)域”，在此溫度區(qū)域進(jìn)行直接擴(kuò)散焊接時(shí)，通過液相基體金屬的浸潤(rùn)，使得在擴(kuò)散接合面中增強(qiáng)相增強(qiáng)相接觸轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)相基體增強(qiáng)相的有機(jī)結(jié)合，獲得高質(zhì)量焊接接頭；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在擴(kuò)散接合面上采用合適的基體中間層同樣可以將增強(qiáng)相增強(qiáng)相接觸轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)相基體增強(qiáng)相的有機(jī)結(jié)合

2、，同時(shí)增大“臨界溫度區(qū)域”范圍，接頭性能更加穩(wěn)定，接頭變形量進(jìn)一步減?。?lt;2%）。 關(guān)鍵詞 鋁基復(fù)合材料、直接擴(kuò)散焊、中間層擴(kuò)散焊 一 序言 鋁基復(fù)合材料作為一種新興材料，由于其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗輻射、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的綜合性能而受到人們的廣泛關(guān)注并將逐步取代部分傳統(tǒng)的金屬材料而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，成為當(dāng)今金屬基復(fù)合材料發(fā)展與研究的主流。然而鋁基復(fù)合材料的焊接性差，很難形成高強(qiáng)度的焊接接頭，成為該種材料走向?qū)嵱没膰?yán)重障礙。 本文以亞微米級(jí)Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料為對(duì)象，通過系

3、列試驗(yàn)研究了采用直接擴(kuò)散焊與基體鋁合金作為中間層的擴(kuò)散焊兩種工藝焊接鋁基復(fù)合材料的特點(diǎn)、機(jī)理，分析了中間層對(duì)接頭性能的影響，探索實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料優(yōu)質(zhì)連接的有效工藝。 二 試驗(yàn)材料及方法 2.1 試驗(yàn)材料 采用擠壓鑄造法制備亞微米級(jí)Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料。增強(qiáng)相Al2O3顆粒平均尺寸為0.4m，體積比為30%。該復(fù)合材料在掃描電鏡下的顯微組織見圖1，在退火狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度為300MPa?；w6061Al的化學(xué)成分如表1所示。選取與基體相同成份的6061Al鋁箔作為中間層，其厚度介于5-30m之間。  圖1

4、0;Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料顯微組織表1 6061Al的化學(xué)成分（Wt%） 2.2 試驗(yàn)方法 將材料加工5mm×10mm×30mm的尺寸進(jìn)行對(duì)接平焊，擴(kuò)散焊過程是在10-3Torr的真空室中進(jìn)行，試件采用電阻法加熱，通過熱電偶測(cè)量溫度并使其在焊接中保持恒定，焊接過程見圖2。焊后利用css-2205型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)（拉伸強(qiáng)度取3個(gè)試樣的平均值）測(cè)試焊接接頭的力學(xué)性能。采用掃描電子顯微鏡JSM5600LV分析接頭微觀組織及斷口形貌。 圖2 Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊接工藝流程圖接頭變形率

5、按下式計(jì)算： S%=（S-S0）/S0 其中：S0-焊前接頭截面積 S-焊后接頭截面積 三. 試驗(yàn)結(jié)果及其討論 分別采用直接擴(kuò)散焊與中間層擴(kuò)散焊兩種工藝焊接Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看到，直接擴(kuò)散焊與采用6061鋁合金箔中間層擴(kuò)散焊兩種工藝條件下均可以獲得較高的接頭強(qiáng)度，但直接擴(kuò)散接頭變形量較大，介于6-12%之間，而6061鋁合金箔做中間層時(shí)接頭變形量小于2%?？梢姴捎门c鋁基復(fù)合材料基體金屬相同的6061Al合金做中間層時(shí)可以獲得更高質(zhì)量的接頭。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，直接擴(kuò)散焊時(shí)接頭強(qiáng)

6、度隨焊接規(guī)范的提高而提高，特別是當(dāng)溫度超過基體材料的固相線溫度（855K）時(shí)，接頭強(qiáng)度有顯著提高，焊接規(guī)范參數(shù)具有明顯的門檻值，較高接頭強(qiáng)度往往伴隨著較大的接頭變形量（最大可達(dá)12%），同時(shí)從圖3中可以發(fā)現(xiàn)直接擴(kuò)散焊接時(shí)鋁基復(fù)合材料焊接接頭性能波動(dòng)較大。與直接擴(kuò)散焊相比，在同一焊接規(guī)范下加入6061Al合金中間層擴(kuò)散焊時(shí)接頭性能穩(wěn)定性、波動(dòng)較小。 圖3 直接擴(kuò)散焊、夾層擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度與焊接溫度關(guān)系曲線這是由于鋁基復(fù)合材料對(duì)接時(shí)，在接觸面上存在以下界面結(jié)合形式：增強(qiáng)相-增強(qiáng)相（R-R）； 增強(qiáng)相-鋁合金基體（R-M）；鋁合金基體-鋁合金基體（M-M）。由于基體與增強(qiáng)

7、相的熔點(diǎn)相差很大，在試驗(yàn)焊接規(guī)范下，（R-R）的結(jié)合幾乎沒有強(qiáng)度1、4，該部位不僅僅減少了載荷的傳遞能力，而且還為裂紋的萌生和擴(kuò)展提供了場(chǎng)地。因此避免（R-R）接觸是提高擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵，也是鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊接工藝研究的中心環(huán)節(jié)。 直接擴(kuò)散焊時(shí)，當(dāng)焊接溫度超過基體合金固相線溫度時(shí)，基體原子的活性和遷移率增加，并且在材料接觸面上出現(xiàn)基體合金液態(tài)薄膜，此液膜浸潤(rùn)材料連接表面，基體原子通過這個(gè)液膜加速相互擴(kuò)散，此時(shí)鋁合金基體塑性流動(dòng)性良好，借助基體的塑性流動(dòng)使得接頭區(qū)域增強(qiáng)相顆粒重新分布，導(dǎo)致了鋁合金基體滲入增強(qiáng)相之間的結(jié)合處，促使了界面上的增強(qiáng)體增強(qiáng)體(RR)接觸改為增強(qiáng)體基體(R

8、M)接觸,由于(RR)接觸幾乎無結(jié)合而(RM)接觸結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(RR)接觸,因此可以使接頭強(qiáng)度大大提高?？梢姀?fù)合材料間直接擴(kuò)散焊要得到高強(qiáng)度的接頭，一方面需要對(duì)焊接參數(shù)控制得非常嚴(yán)格，另一方面不可避免地接頭要產(chǎn)生較大的變形。這對(duì)焊后尺寸要求嚴(yán)格的情況是不合適的。 而對(duì)于鋁合金中間層擴(kuò)散焊來講，并不是通過基體材料的塑性變形使增強(qiáng)相重新分布來避免（R-R）接觸，而是由于鋁合金中間夾層的加入，將接合面上的（R-R）接觸轉(zhuǎn)化為（M-M）、（R-M）接觸，提高了接頭的強(qiáng)度，故其焊接過程并不需要太大的焊接規(guī)范（壓力、溫度）就可以實(shí)現(xiàn)。 另外，為比較兩種焊接工藝的區(qū)別，又進(jìn)一步測(cè)試了

9、直接擴(kuò)散焊與6061Al鋁合金中間層擴(kuò)散焊最佳焊接規(guī)范區(qū)域如圖4所示，可見由于加入了Al合金中間層使得該復(fù)合材料接頭最佳焊接規(guī)范區(qū)域明顯增大，接頭變形顯著減小。 圖4 兩種焊接工藝最佳焊接規(guī)范示意圖圖5為在圖3所示試驗(yàn)工藝中當(dāng)焊接溫度Tw為853k時(shí)直接擴(kuò)散焊、中間層擴(kuò)散焊的斷口形貌照片,直接擴(kuò)散焊斷口呈現(xiàn)出A、B兩區(qū)圖6（a），斷口分析表明：A區(qū)斷口呈韌窩狀，斷口呈明顯的韌性斷裂特征，為焊合區(qū)，B區(qū)為脆性斷口，斷口表面上覆蓋一層氧化膜，為焊接不良區(qū)，A區(qū)面積大小決定著接頭強(qiáng)度的高低。與直接擴(kuò)散焊接頭斷口相比，Al合金中間層擴(kuò)散焊接頭整個(gè)斷口均呈韌性斷裂圖6（b），對(duì)其表面

10、進(jìn)行能譜分析，證實(shí)斷口表面均覆蓋一層鋁合金，表明了中間層與增強(qiáng)相較好的結(jié)合，接頭斷裂是發(fā)生在中間層Al合金中。  （a）無中間層 （b）Al合金中間層 圖5 采用直接擴(kuò)散焊、中間層擴(kuò)散焊焊接鋁基復(fù)合材料的斷口形貌照片下面進(jìn)一步研究鋁合金夾層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。圖6為鋁合金厚度與接頭強(qiáng)度的關(guān)系曲線?？梢娭虚g層的厚度對(duì)接頭的強(qiáng)度有很大的影響，當(dāng)中間層厚度超過10m時(shí)，接頭強(qiáng)度開始明顯下降。這是由于中間層過厚使得接頭出現(xiàn)無增強(qiáng)相區(qū)域，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度下降，斷裂首先從該區(qū)域發(fā)生，圖7為該工藝條件下不同鋁合金中間層厚度的接頭組織SEM照片。在6061A

11、l合金中間層為5m時(shí)，焊接接頭中觀察不到明顯的無增強(qiáng)相區(qū)域存在；而中間層為50m時(shí)，焊接接頭中觀察到明顯的無增強(qiáng)相區(qū)域（中間層區(qū)域），該區(qū)域存在將降低焊接接頭性能。 圖6 鋁合金中間層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響 （a）5m （b）50m 圖7 鋁合金中間層焊接區(qū)SEM組織照片3 結(jié)論 通過對(duì)采用直接擴(kuò)散焊與基體鋁合金作為中間層的擴(kuò)散焊焊接鋁基復(fù)合材料的工藝研究，可得出以下結(jié)論： 1.采用直接擴(kuò)散焊時(shí)，接頭強(qiáng)度的提高是通過基體合金塑性流動(dòng)，改善增強(qiáng)相分布，避免了(RR)接觸而實(shí)現(xiàn)的。為了獲得高強(qiáng)度接頭，一方面需要對(duì)焊接參數(shù)控制得非常嚴(yán)格，另一方面不可避免地使接頭產(chǎn)生較大的變形。在本試驗(yàn)條件下，直接擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度可達(dá)203MPa，接頭變形量為6-12%。 2.采用鋁合金夾層擴(kuò)散焊時(shí)，通過鋁合金中間夾層的加入，將接合面