铝基复合材料的液相扩散焊连接新工艺

摘要

本发明提出一种铝基复合材料液相扩散焊连接的新工艺,该连接工艺属于金属的扩散焊连接工艺技术领域。本发明的特征是,只利用两个要被焊接的铝基复合材料件对接或搭接,当扩散中焊接温度准确地选择为处于铝基材料的液、固相温度区间内的高于某“临界温度”的某一温度区间内的任一温度时,能够实现具有高强度接头的扩散焊;上述临界温度和上述高于该临界温度的某一温度区间由于铝基材料和增强材料不同而改变,当确定的铝基材料和增强材料数量比不同时,上述临界温度和温度区间也改变,该临界温度和温度区间应当通过试验确定或由经验决定。本发明的工艺可以广泛地用于铝基复合材料的扩散焊。

说明书

本发明专利提出的铝基复合材料的液相扩散焊连接新工艺属于金属的扩散焊连接工艺技术领域。

铝基复合材料由于其优良的综合性能而在航天、航空、军事及民用领域具有巨大的潜在应用价值，对其焊接性的研究已经引起各国的高度重视，但是，由于构成铝基复合材料的两种材料的物理和化学性能相差很大，导致其焊接性很差。至今为止，尚没有一种非连续增强铝基复合材料的成熟的焊接连接工艺。

有人利用铝基复合材料的基体铝合金做为中间层进行扩散焊连接铝基复合材料，例如铝基复合材料Al₂O_3p/6061利用其基体材料铝合金6061做中间层进行真空扩散焊连接。虽然当焊接温度设定在600℃时，能够得到铝合金中间层与两侧上述铝基复合材料实现结合，但是，结果接头强度不够理想，试验分析表明，由于加入了铝合金中间层，在其结合界面上微观组织中出现了“无增强相带”，这必定破坏焊接接头组织的整体性，因而明显降低了铝基复合材料焊接接头的力学性能，其中特别是焊接接头强度下降。

还有人采用Cu箔作中间层进行铝基复合材料的瞬时液相扩散焊，由于Cu中间层扩散不均匀，在接头区域易产生脆性相，因而极大地降低了接头强度。

本发明的目的在于，为克服现有技术存在的上述问题，提出一种能使铝基复合材料得到优良的综合性能、强度高的焊接接头的全新的扩散焊工艺。

本发明的目的通过以下的技术方案达到：

一种铝基复合材料的扩散焊接连接工艺，其中，铝基复合材料由铝基材料和弥散混合其内的增强材料组成，其特征在于，只利用两个要被焊接的铝基复合材料件对接或搭接，当扩散焊连接工艺中焊接温度准确地选择为处于铝基材料的液、固相温度区间内的高于某“临界温度”的某一温度区间内的任一温度时，能够实现由于铝基相和增强相良好结合而形成的具有高强度和优良的综合性能的扩散焊接头；

上述临界温度和高于该临界温度的上述某一温度区间由于铝基材料和增强材料种类不同而改变；当确定的铝基材料和增强材料的数量比不同时，上述临界温度和温度区间也改变；上述临界温度和温度区间应当通过试验或经验决定。

上述的铝基材料是各种高强度铝合金。

上述的增强材料是能够形成晶须或直径10μm以下的颗粒的硬质材料。

当焊件为铝基复合材料Al₂O_3p/6061时，焊接尺寸为5×10×30mm³，增强材料呈颗粒状，颗粒尺寸10μm以下，铝基材料6061与增强材料Al₂O_3p的体积数量比为70∶30，铝基复合材料Al₂O_3p/6061的液相扩散焊连接工艺规范为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度600℃～620℃，

焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，

焊件表面粗糙度0.4～0.7μm。

当焊件为铝基复合材料SiCw/6061时，焊接尺寸为5×10×30mm³增强材料呈晶须状，铝基材料6061与增强材料SiCw的体积数量比为80∶20，铝基复合材料SiCw/6061Al的液相扩散焊连接工艺规范为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度580℃～610℃，

焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，

焊件表面粗糙度0.4～0.8μm。

当焊件为铝基复合材料SiCp/2A12，焊件尺寸为50×10×30mm³，增强材料SiCp呈颗粒状，颗粒直径10μm以下，铝基材料2A12与增强材料SiCp的体积数量比为85∶15，该扩散焊连接工艺的规范参数为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度575℃～615℃，焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，焊件表面粗糙度0.4～0.8μm。

当焊件为铝基复合材料SiCp/ZL101，焊件尺寸为5×10×30mm³，增强材料SiCp呈颗粒状，颗粒直径10μm以下，铝基材料ZL101与增强材料SiCp的体积数量比为80∶20，该扩散焊连接工艺的规范参数为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度560℃～590℃，焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，焊件表面粗糙度0.4～0.8μm。

当焊件为铝基复合材料AlNp/2014，焊件尺寸为5×10×30mm³，增强材料AlNp呈颗粒状，颗粒直径10μm以下，铝基材料2014与增强材料AlNp的体积数量比为75∶25，该扩散焊连接工艺的规范参数为：

真空度1.33^-1～1.33^-2Pa，焊接温度580℃～618℃，焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，焊件表面粗糙度0.3～0.7μm。

采用本发明的铝基复合材料的液相扩散焊工艺与现有技术中添加铝合金或Cu中间层的扩散焊工艺相比较，可以明显地可靠地获得高强度和高质量的焊接接头。

本发明的方法适用于各种高强度铝合金的铝基材料和能够形成须晶或颗粒的硬质材料构成的铝基复合材料的焊接，其中铝基材料例如6061、6063、2014、2A12、5A06、7A04、6A02、2A14、7075、、ZL101、ZL104等等，增相材料如SiC晶须，SiC颗粒，Al₂O₃颗粒，Al₂O₃晶须，Si₃N₄颗粒，Si₃N₄晶须，TiC颗粒，AlN颗粒等等。

图1、采用本发明的液相扩散焊连接工艺焊接铝基复合材料Al₂O_3p/6061时焊接温度与接头的拉伸强度和变形量的关系曲线图；

图2、采用本发明的液相扩散焊接工艺焊接铝基复合材料Al₂O_3p/6061的焊件实物外观照片。

下面结合附图详细说明本发明的铝基复合材料Al₂O_3p/6061的液相扩散焊工艺。

首先说明：Al₂O_3p表示呈颗粒状的Al₂O₃，SiCp表示呈颗粒状的SiC，AlN表示呈颗粒状的AlN，SiCw表示呈晶须状的SiC。

正如图1清楚表示的，当利用液相扩散焊焊接铝基复合材料Al₂O_3p/6061时，随着焊接温度的不断提高，可以分为以下4个阶段：

1当焊接温度为其铝基材料的固相线以下温度区(500-581℃)时，即图中的I区域，焊接接头强度随焊接温度升高而增加，最大可达铝基材料强度的36％，变形量＜2％，在该温度范围内，扩散焊接界面上的基体相(基体材料形成)与增强相(增强材料形成)未实现结合，并且存在增强相/增强相直接接触部位，此时接头的形成主要依靠铝基材料之间的扩散结合。

2当焊接温度位于铝基材料的固相线温度(581℃)与“临界温度”(600℃)的温度区期内时，即图1所示的II区域，此时为接头强度急剧变化的区域，接头强度明显增加，接头变形为＜2％。在此温度区间内，扩散焊接界面上基体相与增强相实现良好结合，但仍存在增强相/增强相直接接触部位。

3当焊接温度位于“临界温度”以上，即图1中所示的III区域，即温度为600-620℃区域，此时，液相基体相份率在16-37％之间，此区域接头强度仍然很高，并且稳定，该强度接近铝基材料强度的60％，变形＜2％，在该区域内扩散焊接界面上基体相与增强相实现良好结合，并且一定体积份率的基体相液相对增强相/增强相直接接触部位进行良好的浸润。

该临界温度以上的区域III即为本发明的铝基复合材料的液相扩散焊的焊接温度。

4、随着焊接温度进一步增加，当基体相液相份率超过37％时，液态基体相凝固会引起增强相偏聚，接头的变形量显著增加，引起结构失效。

根据以上的说明可以看出，所谓的“临界温度”是基体材料固相、液相区间的一个温度值，在该温度值，不仅能实现基体相与增强相之间的良好结合，而且基体相液相能对增强相/增强相直接接触部位开始实现良好浸润，因而保证了扩散焊接头的高强度。

所谓的铝基复合材料的液相扩散焊焊接温度为从上述临界温度起始的一个温度区域，该温度区域内，可以稳定地保持上述扩散焊接接头的高强度，该温度区域为600-620℃，此时液相所占体积份率为16-37％。

显而易见，当利用不同的铝基材料和不同的增强材料组成的铝基复合材料时，以及当确定的铝基材料和增强材料的数量比不同时，这种能够进行液相扩散焊接的临界温度和温度区间应当是变化的，该临界温度和该温度区间应当通过试验或根据经验确定。

可以推论，对于其它金属基体，例如Ti、Mg合金基体，当与增强材料组成复合材料时，也应当具有上述这种临界值和温度区域。

虽然本发明提出的铝基复合材料的液相扩散焊连接工艺的焊接温度是位于在铝基材料的液、固相间由其临界温度起的某一温度区间内进行的，但该铝基复合材料宏观上仍然保持固态和不变确定的形状，其原因在于：

如上所述，铝基复合材料是由铝基材料和增强材料组成，通常增强相Al₂O₃、SiC、Si₃N₄、TiC的熔点在2000℃以上，当焊接温度处于铝基材料的固、液相温度之间的条件下，增强相根本不熔化，熔化的仅仅是部份铝基相，但是，由于固态的增强相对液态的铝基相存在吸附作用，使得液态铝合金未流淌，这一现象将随着增强相尺寸的减小(微米、纳米)而愈加明显，所以当铝基复合材料虽处于铝基材料的液、固相温度区间时，铝基复合材料仍然保持宏观固态和不变确定的形状及刚性，正是利用这一特点，才能对铝基复合材料进行本发明的液相扩散焊连接工艺。图2清楚地表明了铝基复合材料Al₂O_3p/6061Al采用本发明的液相扩散焊后试件宏观保持固态和不变形状的实物照片。

实施例1被焊接的铝基复合材料Al₂O_3p/6061的尺寸为5×10×30mm³，

铝基材料为6061，增强材料Al₂O_3p呈颗粒状，颗粒尺寸10μm以下，铝基材料6061和增强材料Al₂O_3p的体积数量比是70∶30。

采用本发明的液相扩散焊工艺的规范参考数为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度600℃～620℃，

焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，

焊件表面粗糙度0.4～0.7μm。

此时基体相液相份数为16-37％，最大接头强度为178MPa，达到母材铝基材料强度60％，变形量：＜2％。

实施例2

被焊接的铝基复合材料SiCw/6061的尺寸为5×10×30mm³，铝基材料为6061，增强材料SiCw呈晶须状。

铝基材料6061与增强材料SiCw的体积数量比是80∶20。

采用本发明的液相扩散焊工艺的规范参考数为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度580℃～610℃，

焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，

焊件表面粗糙度0.4～0.8μm。

此时基体液相份数为13-38％，最大接头强度为227MPa，达到母材铝基材料的强度80％，变形量＜3％。

实施例3

被焊铝基复合材料为SiC_p/2A12，尺寸为5×10×30mm³，铝基材料为2A12，增强材料SiC_p呈颗粒状，颗粒直径10μm以下，铝基材料2A12与增强材料SiCp体积数量比为85∶15，

采用本发明液相扩散焊工艺的规范参数为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度575℃～615℃，焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，焊件表面粗糙度0.4～0.8μm，

此时基体相液相体积份数为18-39％，最大接头强度312MPa，达到母材铝基材料强度75％，变形量＜2％。

实施例4

被焊铝基复合材料SiC_p/ZL101，尺寸为5×10×30mm³，铝基材料为ZL101，增强材料SiC_p呈颗粒状，颗粒直径10μm以下，铝基材料和增强材料体积数量比为80∶20，

采用本发明的液相扩散焊工艺的规范参数为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度560℃～590℃，焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，焊件表面粗糙度0.4～0.9μm。

此时基体相液体积份数为20-40％，最大接头强度为195MPa，达到母材铝基材料强度82％，变形量＜3％。

实施例5

被焊铝基复合材料为AlN_p/2014，尺寸为5×10×30mm³，铝基材料为2014，增强材料为AlN_p呈颗粒状，颗粒直径10μm以下，铝基材料2014与增强材料AlNp的体积数量比是75∶25，

采用本发明的液相扩散焊工艺的规范参数为：

真空度1.33×10^-1～1.33×10^-2Pa，焊接温度580℃～618℃，焊接压力4-6MPa，焊接时间30分钟，焊件表面粗糙度0.3～0.7μm，

此时基体相液相体积份数为12-35％，最大接头强度288MPa，达到母材铝基材料强度85％，变形量＜3％。