鋁基復合材料釬焊與擴散焊

2013年金屬材料報告論壇陶瓷增強鋁基復合材料的釬焊及擴散焊河南理工大學材料科學與工程學院河南焦作2013-04-261.引言金屬基復合材料由于比強度高、比剛度高和耐磨性好等優(yōu)點，成為應(yīng)用前景很好的新材料。其中鋁基復合材料以其制備容易、成本低、性能和功能性強等優(yōu)點引人注目，在航天、航空結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機耐熱和耐磨部件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[1-5]。顆粒增強鋁基復合材料已成功用于飛機機身的蓋板、轉(zhuǎn)向架和車輛零部件的批量生產(chǎn)，在電子器件封裝領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景[5-7]。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.引言由于鋁基復合材料的陶瓷增強相的物性與基體差異很大，其焊接性不好，難以形成可靠的接頭，限制了該種材料的推廣應(yīng)用[7-10]。近30年來，人們對鋁基復合材料的焊接方法進行了大量研究，涉及的焊接方法有熔化焊、摩擦焊、釬焊、瞬時液相擴散連接等方法[11-16]。近年來一些新的焊接技術(shù)如電子束焊、激光焊和攪拌摩擦焊也被用于鋁基復合材料的焊接。其中釬焊及擴散焊不涉及基體金屬的熔化，焊接應(yīng)力小，是目前應(yīng)用前景十分廣闊的連接方法[16-18]，因此深入研究鋁基復合材料的釬焊及擴散焊界面形成機理顯得格外重要。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1增強相與金屬合金的潤濕機理1.1鋁基復合材料焊接的難點

金屬基復合材料焊接時，不僅要解決金屬基體的焊接，還要考慮金屬與增強相的結(jié)合。因此，關(guān)鍵是增強相與基體、增強相之間的結(jié)合。其難點是：（1）界面反應(yīng)復合材料的金屬基體和增強相之間，在較大的溫度范圍內(nèi)是熱力學不穩(wěn)定的，加熱到一定溫度界面會發(fā)生化學反應(yīng)。（2）界面潤濕性差SchoolofMaterialsScienceandEngineering1增強相與金屬合金的潤濕機理（1）界面反應(yīng)通過冶金和工藝方面的措施解決：1)冶金措施加入活性比基體金屬更強的元素或能阻止界面反應(yīng)的元素。例如，加入Ti可以取代鋁與碳化硅的反應(yīng)。提高基體中Si的含量可抑制AI與SiC的反應(yīng)。2）改善焊接工藝

通過控制加熱溫度和焊接時間來避免或限制界面反應(yīng)的發(fā)生。如釬焊時，由于溫度較低，基體不熔化，加上釬料金屬的阻止作用，不易引起界面反應(yīng)。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1增強相與金屬合金的潤濕機理1.1鋁基復合材料焊接的難點（2）潤濕性潤濕性是固體界面由固-氣界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液界面的現(xiàn)象，是鋁基復合材料釬焊的關(guān)鍵技術(shù)指標。由于陶瓷增強相與金屬之間潤濕性不好，結(jié)合為弱連接。鋁基復合材料中增強相越多，焊接性能越差[19]。SchoolofMaterialsScienceandEngineering陶瓷增強相含有離子鍵或共價鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位，很難被含金屬鍵的金屬釬料潤濕。1增強相與金屬合金的潤濕機理為了改善陶瓷表面的潤濕性，常采用如下兩種方法：（1）陶瓷表面的金屬化處理，蒸鍍、噴濺、離子注入等（2）活性金屬化法，在釬料中加入活性元素，使陶瓷表面分解形成新相，產(chǎn)生化學吸附，形成結(jié)合牢固的陶瓷與金屬結(jié)合界面。常用的活性元素是過渡族金屬，如Ti、Zr、Hf、Nb和Ta等，具有較強的活性。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.2活性金屬/陶瓷潤濕機理

國內(nèi)外對金屬/陶瓷體系的潤濕性進行了大量研究，根據(jù)固/液界面結(jié)合的情況，可以將潤濕過程分為反應(yīng)性潤濕和非反應(yīng)性潤濕[20]。鋁基復合材料焊接時，通過控制固/液界面的壓力、溫度以及加入活性元素，對界面反應(yīng)有很大的影響，是改善潤濕性的有效方法。文獻[5]研究了擠壓鑄造60%SiCp高體積分數(shù)鋁基復合材料的組織性能，在溫度750℃，壓力130MPa條件下制備鋁基復合材料，通過電子透射顯微鏡分析，在SiCp/Al合金基體界面形成了細條狀的Al4C3金屬間化合物，界面發(fā)生了如下化學反應(yīng)：3SiC(s)+4Al(l)=Al4C3(s)+3Si(l)（1）SchoolofMaterialsScienceandEngineering圖1SiCp/AlCu4MgAg界面Al4C3金屬間化合物TEM形貌由于壓力的作用，SiC/Al基體之間發(fā)生反應(yīng)，形成了半共格界面，因此壓力對于對于陶瓷/金屬基體間的反應(yīng)有重要影響。文獻[21]研究了無壓浸滲制備SiC顆粒增強鋁基復合材料界面顯微組織，基體合金是Al-Si-Mg-Zn，在Ni氣保護下，SiC顆粒在1100℃預氧化3h，在800-900℃進行浸滲處理，透射電子顯微分析表明，在SiC顆粒表面有300nm的MgAl2O4尖晶石顆粒形成，兩相之間有如下位相關(guān)系：SchoolofMaterialsScienceandEngineering

（3）SchoolofMaterialsScienceandEngineering圖2SiCp/Al-Si-Mg-Zn無壓浸滲SiC表面MgAl2O4形貌

SchoolofMaterialsScienceandEngineering文獻[22]研究了A1-Si/SiC系統(tǒng)界面潤濕性，在真空條件下，Al對SiC進行潤濕的溫度高于900℃。A1-Si/SiC在1100℃時潤濕角為25°。陳建等認為[20]在熱力學非平衡條件下，金屬熔體M中的活性元素(Re)和增強相(MeXξ)中的非金屬元素(X=O,N或C等)按下式反應(yīng)：

（4）式中：v、ξ分別表示反應(yīng)產(chǎn)物和增強相陶瓷中的計量數(shù)。式（4）的吉布斯能變化可用下式表示：式中：、分別為反應(yīng)產(chǎn)物和增強相陶瓷的標準形成自由能；和分別為Me和Re在液態(tài)金屬M中的活度。

2.鋁基復合材料釬焊及擴散焊工藝方法

陶瓷材料主要化學鍵與金屬不同，含有離子鍵或共價鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位。釬焊時陶瓷表面很難被金屬釬料潤濕[19]。釬焊時釬劑和真空條件對陶瓷/金屬潤濕性沒有直接影響，要實現(xiàn)鋁基復合材料的有效連接，工藝方法十分重要。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineering物質(zhì)的傳輸方式氣體對流+擴散固體擴散液體對流+擴散金屬陶瓷高分子金屬鍵離子鍵共價鍵擴散機制不同2.1釬焊

（1）釬焊時的表面處理技術(shù)表面處理可以使陶瓷表面金屬化，再用進行釬焊，可以提高復合材