Sip/6063铝基复合材料激光熔化沉积连接特性与组织性能调控

摘要

Si/Al复合材料具有低密度、高比强度、高比刚度，优良的导热性能和低的热膨胀系数等特点，作为新型电子封装材料而受到了广泛的关注。激光焊接具有能量精确可控，自动化程度高、热影响区窄等优势，在航空航天、电子封装以及汽车工业等领域得到了越来越广泛的应用。
　　本文针对高体积比分（60vol.％）Sip/6063Al复合材料首先进行了激光自熔焊和激光单层填粉焊接特性研究。试验发现激光自熔焊条件下焊缝表面成形差，极易产生焊瘤、咬边、开裂等缺陷；焊缝内部气孔、缩孔缺陷十分严重。接头拉伸强度低，最大为34.4MPa，为母材的65.3%；常温热导率为110W/(m?K)左右，导热能力较差。采用激光单层填粉连接方法能够有效改善焊缝表面成形质量，无咬边、开裂等缺陷，焊缝中缩孔缺陷得到有效控制，但是熔合区附近气孔缺陷依旧严重，焊缝中初生Si颗粒较少，分布不均匀。焊缝热影响区宽度增加，其中缩孔缺陷较多，拉伸性能较差，仅为28.9MPa，常温热导率有所的提高，达124.2W/(m/K)。
　　采用激光熔化沉积连接方法，实现了Sip/6063Al复合材料的优质连接，焊缝表面成形较好，无明显缺陷；焊缝中几乎没有气孔，仅在热影响区存在少量尺寸较小的缩孔，并且焊缝中初生Si相在整个焊缝范围内分布均匀。焊缝中Si包括初生Si和共晶Si两种形式，其中初生Si相包括小块状、颗粒状、多角块状和花瓣状，共晶Si相呈针状分布于初生Si颗粒之间。
　　热导率和热膨胀系数等热物理性能与焊缝组织密切相关，本文从填充粉末配比以及焊后热处理两方面进行了焊缝组织调控的研究。结果表明，随着填充粉末中Si粉末质量分数的增加，焊缝中初生Si颗粒数量逐渐增多，形态由小块状、颗粒状逐渐转变为多角块状和花瓣状，尺寸也逐渐增加。当填充粉末中Si粉质量分数为30%时，接头常温热导率达127W/(m/K)，焊后热处理对焊缝中Si相形态影响显著，初生Si颗粒尖角钝化圆滑，并有长大趋势；共晶Si由针状逐渐变为短条状、球状。加热温度较高，保温时间较长时初生Si颗粒存在联结的现象。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 颗粒增强铝基复合材料连接国内外研究现状

1.3 Sip/Al基复合材料组织调控研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 激光熔化沉积连接原理

2.4 试验材料焊前准备

2.5 焊缝组织结构分析

2.6 性能测试

2.7 颗粒体积占比与粒径统计分析

第3章 Sip/6063Al激光焊接特性研究

3.1 引言

3.2 激光自熔焊

3.3 激光填粉连接

3.4 性能分析

3.5 激光熔化沉积连接

3.6 本章小结

第4章 Si结晶行为与焊缝组织调控

4.1 引言

4.2 焊缝组织调控目标

4.3 焊缝中Si的存在形式

4.4 初生Si的结晶行为

4.5 不同粉末配比焊缝组织形态演变

4.6 焊后热处理对Si形态影响

4.7 本章小结

第5章 接头断口分析及热物理性能分析

5.1 引言

5.2 接头拉伸性能及断口分析

5.3 杨氏模量

5.4 热导率

5.5 热膨胀性能

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

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