高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料激光纳米钎接研究

摘要

本文以相控阵雷达T/R模块封装用高体积分数SiC颗粒增强6063Al基复合材料为研究对象，采用真空电弧熔炼法与真空单辊快淬法制备一系列 AlCuTi 基(Al80-xCu20Tix，x=3,5,8,10)合金作为填加材料，选择具有精密和可控热源的激光焊方法作为连接手段，分析了AlCuTi基箔状材料作为夹层与钎料分别在激光熔焊与激光钎焊过程中和复合材料的连接机理，创造性地将复合材料学，纳米效应和激光技术三者交叉融合。利用平均晶粒尺寸在100~200纳米的AlCuTi基箔状材料的界面活性和原子较强的运动能力，辅之以激光焊接快速加热、瞬间冷却的工艺特征，提升焊接过程中填加材料的润湿能力和填充能力，在最佳激光焊接工艺下，获得达到母材80%强度的搭接与对接接头。 通过填加常规微米级材料(AlZn25Si1、ZnAl7、微米级Sn片)和单质纳米Ag、Al、Sn 颗粒的激光焊结果可知，通过调整激光焊工艺很难得到满足工程应用的接头强度。对比纳米Sn颗粒与微米级片状Sn的焊接结果，纳米Sn颗粒的原子活性较强，扩散性能较好，所获得的接头组织与强度明显优于微米级Sn片。 在Al80-xCu20Tix(x=3,5,8,10)系列箔状材料的制备过程中，通过控制合适的甩带工艺(真空度1.5×10-2 Pa；喷射距离1.0~1.2 mm；铜辊转速1000~1100Rad/min；喷射压强 0.04~0.05MPa)，填加材料由真空电弧熔炼后平均晶粒尺寸在 20~80um的α-Al、CuAl2和Al6.1Cu1.2Ti2.7的微米晶细化至平均颗粒尺度范围为100~200nm的纳米晶粒。由于晶粒尺度的下降，箔状材料具有一定纳米效应，原子活性增强且固-液相线均降低了25~40℃。真空钎焊炉中润湿性实验结果表明随着钎料中Ti含量的增加，钎料液相线升高导致润湿效果下降且界面处冶金反应加剧，主要生成物为Mg2Si相、TiSi相和TiC相。 采用搭接形式和对接形式对复合材料进行激光焊的过程中，合适的激光线能量是最终焊缝成形的决定因素。影响激光线能量的主要工艺参数有：激光功率、离焦量和焊接速度，通过工艺参数的优化匹配可获得优良的接头性能。搭接形式下，Al75Cu20Ti5箔状材料为最优夹层，最高接头抗剪强度217MPa，为母材强度的80.4%，相关工艺参数为：激光功率 520W，离焦量-1mm，焊接速度 1.5cm/s；对接形式下，Al72Cu20Ti8箔状材料为最优钎料，最高抗拉强度219MPa，为母材强度的81.1%，相关工艺参数为：激光功率350W，离焦量-1mm，焊接速度1.5cm/s。 填加AlCuTi箔状材料对复合材料激光焊的对接接头与搭接接头均可按照形貌将焊缝分为柱状晶区、熔合过渡区和母材区，这是由激光焊的快速熔化，瞬间凝固的特点导致焊缝非均匀形核所造成的。焊缝处发生复杂的化学冶金反应，存在相主要包括α-Al、增强颗粒SiC、弥散分布焊缝之中的TiC、主要分布于柱状晶区的增强物 Mg2Si、分布于整个焊缝的金属间化合物 TiCu4和微量的TiSi、CuAl2、Al-Si-Fe以及Al4C3。焊缝中有害相主要包括层片状Al-Si-Fe相和针状Al4C3，相较于母材局部熔化的搭接接头，对接接头中有害相Al4C3数量相对较少。 对焊缝中 SiC 颗粒的结合界面进行分析，发现 SiC 颗粒的连接界面主要有SiC-Al 和 SiC-TiC 两种。前者主要是通过直接的电子结合和微反应下所促进的扩散结合，后者则是通过发生化学反应生成新的化合物进行连接，生成的产物主要是颗粒状TiC和棒状的Ti5Si3。 通过对复合材料激光焊接头的剪切断口与拉伸断口分析，发现断口整体呈现脆性断裂的特征，仅在Al基体的局部范围发生微量的塑性变形。断口处的SiC颗粒表面无其它金属元素，呈现明显的阶梯状，说明SiC的结合界面强度较高，SiC颗粒为主要承载体，焊缝的增强机制为颗粒承载机制。 在与相同成分的AlCuTi 微米级钎料的润湿性测试和激光钎焊实验比较分析后，认为具有纳米效应的箔状材料由于其结构不稳定性产生的较强原子活性和扩散能力，是优化焊缝组织性能和成分均匀度，提高对复合材料浸润性和流动性，以及增加钎料原子扩散能力的主要原因。

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