液态钎料与铝基复合材料超声润湿复合机理及其应用研究

摘要

铝基复合材料（AlMMCs）具有比一般合金材料优良的比强度、比刚度、尺寸稳定性和耐磨损等性能，尤其是近年来该种材料制备技术的快速发展，成本大为降低，在航空航天、电子和汽车等领域的应用将越来越广泛。但是，由于该类材料增强相与基体物理、化学性能的巨大差异，焊接性较差。这使加工具有一定复杂形状、难以通过一次成型的功能结构件尤为困难。因此，高效、可靠的连接技术是铝基复合材料扩大应用亟待解决的关键问题。
　　制约铝基复合材料接头质量及其应用的两个基本问题是实现填充材料同时与基体材料和增强相材料的物理润湿复合和复杂构件在非真空条件下的可靠连接。结合超声波的特点，以Al2O3、SiC颗粒增强铝基复合材料为主要对象，通过研究超声波作用下液态钎料与AlMMCs的润湿复合行为，创新性地提出了该种材料非真空、无钎剂条件下的超声波毛细焊接工艺，并为了优化接头性能，研究了液态焊缝中增强相颗粒运动、迁移和分布规律以及陶瓷颗粒/钎料复合体的凝固行为，获得了可控的、复合化的焊缝组织，接头性能显著提高，为铝基复合材料可靠、高效地焊接开辟了一条新途径。主要研究工作及结论包括：
　　超声波作用下液态钎料与AlMMCs的润湿行为研究发现，大气环境中、从母材导入超声波的条件下，超声振幅大于临界值10μm后，液态钎料可在铝基复合材料表面实现良好的润湿铺展，当超声振幅小于10μm时，钎料润湿铺展的情况与钎料放置的位置有关。采用有限元的方法对润湿界面的声压场的数值模拟结果表明，只有当超声振幅达到10μm后，润湿界面才可产生较大的声负压，而当超声振幅小于10μm时，只有局部的润湿界面产生较大的声负压，而其它润湿界面处的声负压值接近零。计算的结果初步说明了实验观察到的结果。
　　Zn-Al钎料可通过铝基复合材料表面氧化膜的（裂缝）通道潜入到氧化膜/基体界面并沿基体表面发生铺展，形成

目录

液态钎料与铝基复合材料超声润湿复合机理及其应用研究

Mechanisms for Ultrasonic Assisted Wetting and Bonding of Aluminum Based Composites by Liquid Filler and their Applications

摘要

Abstract

Contents

第 1 章 绪论

1.1 立题背景及意义

1.2 颗粒增强铝基复合材料焊接研究现状

1.2.1 熔化焊

1.2.2 钎焊

1.2.3 扩散焊

1.2.4 瞬间液相焊

1.2.5 颗粒增强铝基复合材料焊接工程应用面临的问题

1.3 颗粒增强铝基复合材料颗粒分布控制研究

1.3.1 复合材料熔体中陶瓷颗粒的均匀化研究

1.3.2 凝固界面前沿颗粒的行为规律研究

1.4 功率超声波的特点及其在材料连接、冶金领域的应用

1.4.1 功率超声波的特点

1.4.2 功率超声波在金属材料连接及冶金中的应用

1.5 颗粒增强铝基复合材料连接新技术的设想

1.6 本文研究的主要内容

第 2 章 实验材料、设备及研究方法

2.1 实验材料

2.1.1 颗粒增强铝基复合材料

2.1.2 填充材料的选定

2.1.3 陶瓷颗粒/钎料复合体

2.2 实验设备及装置

2.3 实验研究方法

2.3.1 超声波作用下的润湿实验

2.3.2 超声波作用下SiCp/Zn-Al复合体的均匀化和凝固

2.3.3 超声振动液相连接工艺

2.3.4 微观组织分析

2.3.5 性能测试

第 3 章 超声波作用下液态钎料与铝基复合材料的润湿行为

3.1 引言

3.2 超声波润湿工艺

3.2.1 超声波振幅

3.2.2 超声波作用时间

3.3 超声波传播特性对界面润湿的影响分析

3.3.1 固体中的声波动方程

3.3.3 几何模型的建立

3.3.4 初始、边界条件及假设

3.3.5 材料物理参数

3.3.6 颗粒增强铝基复合材料表面振动场的模拟计算

3.3.7 铝基复合材料表面振动模拟结果验证

3.3.8 钎料液滴内超声波振动传播特性

3.3.9 润湿界面超声空化产生机理分析及影响

3.4 润湿界面气孔的产生及消除

3.5 钎料/复合材料的潜流行为

3.5.4.1 保温温度

3.5.4.2 钎料量

3.5.4.3 母材表面粗糙度

3.5.4.4 母材吸气量

3.6 钎料/复合材料润湿界面氧化膜的变化行为

3.6.1 潜流条件下氧化膜的行为及破除模型

3.6.2 无潜流条件下氧化膜的行为及破除模型

3.7 润湿界面的微观结构特征

3.7.1 母材的组织结构

3.7.2 钎料的组织结构

3.8 本章小结

第4章 超声作用下液态钎料的毛细填缝行为及接头的组织性能

4.1 引言

4.2 实验过程及方法

4.3 超声辅助毛细填缝行为研究

4.3.1 液态钎料填缝过程

4.3.2 液态钎料填缝的物理模型

4.3.3 关于填缝驱动力的讨论

4.4 超声辅助毛细填缝钎焊工艺

4.4.1 超声振幅

4.4.2 超声作用时间

4.4.3 预留间隙

4.5 接头强度及断裂特征

4.6 复合焊缝的设想

4.7 本章小结

第 5 章 超声波作用下液态钎料中陶瓷颗粒的迁移行为及上浮规律

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 超声波作用下液态钎料中陶瓷颗粒的运动及分布

5.3.1 超声波对陶瓷颗粒分散作用的理论基础

5.3.2 超声波作用下陶瓷颗粒在液态合金中的分布规律

5.3.3 陶瓷颗粒运动迁移行为的动态观察

5.3.4 超声波作用下声流模式及颗粒迁移分布分析

5.4 陶瓷颗粒/Zn-Al熔体中颗粒的上浮现象

5.4.1 颗粒上浮的实验测量

5.4.2 颗粒上浮的理论预测

5.4.3 颗粒上浮速率的验证及修正

5.5 本章小结

第 6 章 超声波作用下陶瓷颗粒/钎料复合体的 凝固行为研究

6.1 引言

6.2 实验材料及方法

6.3 无超声作用下陶瓷颗粒增强复合体的凝固行为

6.3.1 SiCp/Zn-Al复合体的凝固组织特征

6.3.2 SiCp/Zn-Al复合体的凝固行为分析

6.3.3 不同冷却条件下SiCp/Zn-Al复合体的微观组织

6.4 超声波作用下陶瓷颗粒增强复合体的凝固组织特征

6.4.1 连续超声波处理

6.4.2 等温降超声波处理

6.4.3 恒温超声波处理

6.5 超声波作用下陶瓷颗粒增强复合体凝固行为分析

6.5.1 凝固过程中熔体的固相体积份数及其流变性能分析

6.5.2 超声波的晶粒细化作用分析

6.5.3 陶瓷颗粒的迁移行为

6.5.4 超声波作用下SiCp/Zn-Al复合体的凝固模型

6.6 超声波处理对颗粒增强复合体的力学性能的影响

6.7 本章小结

第 7 章 超声辅助焊接工艺及其工程应用研究

7.1 序言

7.2 带增强相接头的超声复合工艺

7.2.1 超声原位复合化工艺

7.2.2 采用复合钎料的超声复合化工艺

7.3 带增强相接头的超声复合工艺的初步工程应用

7.3.1 高体份增强铝基复合材料及典型构件形式

7.3.2 超声辅助焊接工艺及结果

7.4 本章小结

结论

参考文献

附录1

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间所申请的相关专利

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历