鋁基復(fù)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(fù)合材料的釬焊及擴散焊河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院河南焦作2013-04-261.引言金屬基復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的焊接方法進(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)合材料焊接的難點

金屬基復(fù)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(fù)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(xué)不穩(wěn)定的，加熱到一定溫度界面會發(fā)生化學(xué)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(fù)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(fù)合材料釬焊的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。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(fù)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(xué)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(jìn)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(fù)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(xiàn)[5]研究了擠壓鑄造60%SiCp高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料的組織性能，在溫度750℃，壓力130MPa條件下制備鋁基復(fù)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(xì)條狀的Al4C3金屬間化合物，界面發(fā)生了如下化學(xué)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(xiàn)[21]研究了無壓浸滲制備SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料界面顯微組織，基體合金是Al-Si-Mg-Zn，在Ni氣保護(hù)下，SiC顆粒在1100℃預(yù)氧化3h，在800-900℃進(jìn)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(xiàn)[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(jìn)行潤濕的溫度高于900℃。A1-Si/SiC在1100℃時潤濕角為25°。陳建等認(rèn)為[20]在熱力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料釬焊及擴散焊工藝方法

陶瓷材料主要化學(xué)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(fù)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(jìn)行釬焊，可以提高復(fù)合材