铝基复合材料的真空扩散焊接及其组织与性能分析

摘要

铝基复合材料因具有高的比强度、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数低、尺寸稳定好等特性而有广泛的应用。由于复合材料中增强体与基体化学和物理性能的差异，传统的熔化焊接和激光诱发反应焊接会使得铝基复合材料焊缝处有较多的缺陷，而搅拌摩擦焊接复合材料搅拌头有比较严重的磨损。本文系统的研究了铝基复合材料(Al-5wt.%Si-Al2O3)的真空扩散焊接，探索了该材料扩散焊接的理论和机理，为扩散焊接该复合材料提供理论依据和技术支持。
　　本文首先利用粉末冶金的方法以5um左右的Al粉和纳米SiO2为原料，经热等静压烧结(HIP)：700℃×50MPa×1h，原位合成Al-5wt.%Si-Al2O3复合材料，其微观组织均匀，Si和氧化铝弥散分布在铝基体上，相对密度达到98.88%，有较高的压缩强度和剪切强度。用制备好的铝基复合材料作为真空扩散焊接的母材，在真空热压烧结炉中进行真空扩散焊接。采用正交试验的方法，优化扩散焊接工艺，取焊接温度、压强和时间为3因素，每个因素分别取3个水平进行试验。分析了扩散焊接工艺参数对焊接接头组织和性能的影响规律和影响显著性，确定了正交试验中最佳的工艺参数组合(555℃×50Mpa×3h)，预计剪切强度可以达到36.61MPa，验证结果达到34.44MPa，可信度达70%。
　　通过延伸实验进一步深入探索正交试验结果，发现增加焊接压强可提高接头的剪切强度，当焊接时间到达3h后，再增加焊接时间接头的剪切强度增加不明显。同时用Al粉作为中间层扩散焊接Al-5wt.%Si-Al2O3复合材料，由于把增强相和增强相的接触转变成增强相和基体的接触，而且复合材料中的Si扩散到Al夹层中，有些Si钉扎在连接面上使得接头的剪切性能大幅度提高(96MPa，相比正交试验最佳的工艺提高178.7%)。