70％ SiCp/Al复合材料半固态加压反应钎焊方法与机理研究

摘要

70％SiCp/Al复合材料在航空航天精密仪器、武器防御和共振预防等领域具有巨大的应用潜力，但由于基体合金与SiC增强相物理化学性质的巨大差异，使其在焊接过程中存在很大的困难。本文提出了一种半固态加压反应钎焊的方法，研制了适用于该复合材料半固态加压反应钎焊的钎料，为其匹配了合适的焊接工艺参数，获得了可靠的连接接头，研究了Cu和Ti元素在焊接过程中的行为，明确了Cu和Ti元素促进钎料在复合材料表面润湿和提高接头力学性能的机理，揭示了复合材料半固态加压反应钎焊过程中的界面冶金结合机理。 提出了一种半固态加压反应钎焊的焊接方法，填充粉末钎料在压力作用下进行焊接，其实质是通过加压液相反应烧结形成焊缝金属及其与母材的冶金结合。明确了其过程可分为粘接、液相形成与颗粒重排、固相溶解-再沉淀和固相骨架的形成四个阶段。揭示了化学反应、粉末体总表面自由能减小和晶格畸变能减小是冶金过程的主要驱动力的真相。 研制了一种适用于复合材料半固态加压反应钎焊的Al-8.5Si-15Cu-4Ni-1.5Mg含Cu钎料，其固液两相共存温度区间为573～633℃，其润湿角为85°，采用该钎料在580℃、1.5h和6MPa条件下对复合材料进行半固态加压反应钎焊所得接头剪切强度为75.3MPa。经改进获得了一种适用于复合材料半固态加压反应钎焊的Al-1.9Si-0.1Mg-35Ti-15Cu-20In含Ti钎料，其润湿角为19°，采用该钎料在600℃、1.5h和6MPa下对复合材料进行半固态加压反应钎焊所得接头剪切强度为90.2MPa。 采用含Cu钎料对复合材料进行半固态加压反应钎焊，钎料中形成Al-Si-Cu和Al-Cu低熔点共晶液相，降低钎料熔点，提高钎料流动性;Cu元素易与复合材料中Al基体反应生成CuAl2金属间化合物，在一定程度上提高钎料在复合材料表面的润湿性;钎料中Al/Cu反应生成CuAl2，促进焊缝金属冶金结合，少量弥散分布的细小CuAl2可在一定程度上增强焊缝，改善接头性能。 采用含Ti钎料对复合材料进行半固态加压反应钎焊，钎料中的Ti、Si、Al元素相互反应生成块状和环状Ti7Al5Si12化合物，促进焊缝金属的冶金结合;Ti元素与复合材料表面裸露的SiC颗粒反应，依附SiC颗粒生成絮状Ti7Al5Si12化合物。Ti7Al5Si12的生成一方面使得钎料在复合材料表面的润湿成为反应润湿，提高钎料润湿性，另一方面使得“SiC/钎料”界面转变为“SiC/Ti7Al5Si12/钎料”界面，提高界面结合力，提高接头力学性能。 对复合材料进行了表面渗钛处理，在复合材料表面获得了一层连续的Ti7Al5Si12化合物，经打磨清洗后，复合材料表面的SiC颗粒仍被Ti7Al5Si12化合物覆盖，而Al基体表面则裸露出来。焊后不仅以“SiC/Ti7Al5Si12/钎料”较强连接界面取代了“SiC/钎料”弱连接界面，还保留了“Al基体/钎料”强连接界面，提高接头质量。最终采用含Ti钎料对经渗钛处理的复合材料进行半固态加压反应钎焊所得接头强度为131.3MPa。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题研究背景

1．2 SiCp／Al复合材料焊接的问题

1．3 SiCp／Al复合材料焊接的研究现状

1．3．1低体积分数SiCp／Al复合材料焊接研究现状

1．3．2 SiC陶瓷焊接研究现状

1．4焊接材料研究现状

1．4．1含Zn焊接材料

1．4．2含Cu焊接材料

1．4．3含Ti焊接材料

1．4．4其他焊接材料

1．5半固态焊接的研究现状

1．5．1半固态加工

1．5．2半固态焊接

1．6论文研究内容与总体研究方案

1．6．1研究内容

1．6．2总体研究方案

2半固态加压反应钎焊方法

2．1方法

2．2原理

2．2．1半固态加压反应钎焊的冶金过程

2．2．2半固态加压反应钎焊的热力学原理

2．3半固态加压反应钎焊与钎焊和扩散焊的区别

2．4半固态的必要性与意义

2．5试验材料和条件

2．5．1试验材料

2．5．2试验设备

2．5．3试验及研究方法

2．6本章小结

3 70％SiCp／Al半固态加压反应钎焊的钎料设计与性能研究

3．1．1 Al-Cu-Si-Ni-Mg钎料的设计

3．1．2Al-Cu-Si-Ni-Mg钎料的性能研究

3．2 Al-Si-Mg-Ti-Cu-In钎料的设计与性能研究

3．2．1Al-Si-Mg-Ti-Cu-In钎料的设计

3．2．2 Al-Si-Mg-Ti-Cu-In钎料的性能研究

3．3两种钎料的对比

3．4本章小结

4采用Al-Cu-Si-Ni-Mg钎料的半固态加压反应钎焊工艺与机理

4．1．1焊接工艺参数

4．1．2接头微观组织研究

4．1．3接头力学性能分析

4．1．4接头断裂特征分析

4．2铜与70％SiCp／Al复合材料真空扩散焊工艺研究

4．2．1真空扩散焊工艺参数

4．2．2接头微观组织分析

4．2．3接头力学性能和断口分析

4．3铜与70％SiCp／Al复合材料真空扩散焊的界面反应机理研究

4．3．1界面反应特征分析

4．3．2界面反应热力学分析

4．3．3界面反应机理分析

4．4采用含Cu钎料的半固态加压反应钎焊过程中Cu元素作用机理研究

4．5本章小结

5采用Al-Si-Mg-Ti-Cu-In钎料的半固态加压反应钎焊工艺与机理

5．1．1焊接工艺参数

5．1．2接头微观组织分析

5．1．3接头力学性能分析

5．1．4接头断裂特征分析

5．2钛与70％SiCp／Al复合材料真空扩散焊工艺研究

5．2．1真空扩散焊工艺参数

5．2．2接头微观组织分析

5．2．3接头力学性能和断口分析

5．3钛与70% SiCp／Al复合材料真空扩散焊的界面反应机理研究

5．3．1界面反应特征分析

5．3．2界面反应热力学分析

5．3．3界面反应机理分析

5．4采用含Ti钎料的半固态加压反应钎焊过程中Ti元素作用机理研究

5．4．1半固态加压反应钎焊过程中Ti元素的作用形式分类

5．4．2 Ti元素的作用对半固态加压反应钎焊的影响

5．5采用含Ti钎料的半固态加压反应钎焊过程中界面冶金结合机理研究

5．6 70％SiCp／Al复合材料的含Ti钎料应用条件

5．7本章小结

6半固态加压反应钎焊钎料成分优化与接头界面控制

6．1半固态加压反应钎焊钎料成分优化

6．1．1钎料成分对接头组织的影响

6．1．2力学性能与断口分析

6．2半固态加压反应钎焊接头界面控制

6．2．1焊前表面处理

6．2．2不同表面处理所得接头界面结构分析

6．2．3力学性能及断口分析

6．3界面冶金结合机理研究

6．4本章小结

7结论与创新点

7．1结论

7．2创新点

致谢

参考文献

附录