碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊工艺与机理研究

摘要

碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有的高比强度、比模量、耐磨、耐高温、耐腐蚀、良好的热稳定性等优点，使其在航空航天、汽车、电子和医学等领域具有广泛的应用前景，成为当今金属基复合材料发展与研究的主流。然而，由于铝基复合材料的特殊组织结构导致其焊接性很差，难以形成高强度的焊接接头，成为该类材料走向实用化的严重障碍，因此，系统研究铝基复合材料的焊接性已是迫在眉睫。相对于其它焊接方法来说，钎焊具有加热温度低，对母材中增强相的影响小，而且焊接变形小，操作简单等特点。基于此，本文以碳化硅颗粒增强铝基复合材料SiCp/101Al 为研究对象，分别采用氩气保护炉中钎焊和真空钎焊方法进行工艺试验，较深入地分析了铝基复合材料钎焊接头的形成过程，研究了铝基复合材料钎焊接头的显微结构特点、力学性能及断裂特征和连接工艺对接头组织与力学性能的影响规律。 研究结果表明：通过选择合理的钎料、钎剂组合以及采用合适的钎焊工艺参数，可以获得质量良好的钎焊接头。对于两种钎焊方法来说，钎焊接头的剪切强度和显微硬度都是随钎焊温度的升高而升高，但当达到一定值以后，又随着钎焊温度的升高而降低。接头显微组织分析可知，钎焊过程中钎料熔化，熔态钎料对母材进行润湿、铺展并与母材之间合金元素发生互扩散，发生共晶反应。钎料中的Si、Cu等合金元素扩散到母材基体中，并于与基体中的Al通过共晶方式结合。由于Si具有与SiC相似的晶体结构，钎缝界面上的Si以SiC作为异质形核基底而形核长大，这样Si相在SiC与Al相之间起到了一种过渡连接作用，有利于提高钎缝界面之间的结合质量。另外，从钎缝区的XRD图中发现含有Al-Cu、Al-Si共晶组织相，并且实际检测到了SiC相的存在；对钎缝区的透射电镜观察，进一步证实钎缝中存在SiC相，说明有部分SiC增强相过渡到了钎缝之中，可在一定程度上提高钎缝接头的力学性能。钎焊接头的断口扫描观察显示，接头大部分都呈韧性断裂，而且大多数接头均断于母材部位，表明获得钎焊接头的剪切强度相对较高。综上可知，采用氩气保护炉中钎焊和真空钎焊工艺连焊SiCp/101Al复合材料是可行的。