SiCp/101Al基复合材料等离子弧原位焊接工艺研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料具有密度小、比强度高、比刚度高、耐腐蚀、耐磨、热膨胀系数低、热稳定性和导热性能好等一系列优点,在航空航天、兵器等国防工业和汽车电子等民用行业具有广泛的应用前景。但由于铝基复合材料的基体和增强体之间的熔点、导热性和热膨胀系数等热物理性能上的巨大差异,使得该材料的焊接性很差,对于SiCp/Al基复合材料,还会在增强体SiC颗粒与基体Al合金之间发生界面反应,目前,利用以Ti元素为主的多元合金作为填充材料来抑制界面反应,并改善熔池冶金过程已成为共识。
　　 本文以SiCp/101Al基复合材料为研究对象,采用添加Al-8Ti-3Si-3Mg药芯焊丝的方式对其进行不同工艺下的等离子弧(以Ar+N2为离子气、Ar为保护气)焊接。借助于金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射分析仪、能谱仪及透射电子显微镜镜等微观分析手段,研究分析了不同焊接工艺下的焊缝成形以及接头的组织与性能。
　　 由于所用材料的SiC增强颗粒的体积分数达到了20%,焊接性更差,直接用常规等离子弧焊对其焊接,很难获得较好的焊接接头,因此提出采用低频脉冲等离子弧焊接的方法对其焊接。通过添加药芯焊丝,本试验获得了成形较好的焊接接头,焊缝组织中没有发现脆性相Al4C3,界面反应得到了有效的控制,同时焊缝中原位生成了MgAl2O4、Al3Ti、AlN、TiN和TiC等新的增强相颗粒,虽然细小但偏聚严重。试验结果表明,脉冲频率为5Hz时的抗拉强度最高,为229MPa,达到母材的78.9%,焊缝接头呈韧性断裂。
　　 为进一步均匀焊缝中原位生成的Al3Ti等增强相,对SiCp/101铝基复合材料进行脉冲超声等离子弧原位焊接。试验结果表明,电弧超声激励频率为30KHz、50KHz、60KHz时,Al3Ti呈颗粒状或块状均匀的分布在基体中,在40KHz时Al3Ti呈细长状沿纵向分布。激励频率为50KHz的电弧超声获得的性能最好,抗拉强度达到了250MPa,接头呈明显的韧性断裂。