一种颗粒增强铝基复合材料的半固态连接方法及其装置

摘要

本发明提出一种颗粒增强铝基复合材料的半固态连接方法及其装置，装置由原位加热装置、测温热电偶、温度控制仪、滚动连接压头以及速度调节器组成，其中，原位加热装置、测温热电偶和滚动连接压头按先后顺序排列在一个平行于连接面的导杆上，温度控制仪通过引线与测温热电偶连接，速度调节器与滚动连接压头连接；可调式加压装置安装在滚动连接压头上，在连接装置两侧，设有固定连接母材的的夹具；将颗粒增强铝基复合母材料加热到基体铝合金的液－固两相温度区内液相线温度附近，在复合材料上加热的宽度比瞬间加载的宽度稍宽，随即进行瞬间加载使颗粒增强铝基复合母材料发生触变流动，从而实现颗粒增强铝基复合材料的连接。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料的连接，特指在半固态条件下对颗粒增强铝基复合材料进行瞬间加载并实现连接的方法和装置。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料由于比强度高、综合性能好而被认为是目前最具有竞争力的金属基复合材料之一，已成为当今金属基复合材料研究领域中的一个重要的热点。其中，SiC颗粒增强铝基复合材料在各种复合材料中发展最快。由于颗粒增强铝基复合材料复杂的宏观和微观结构，使得它们的连接比单一均质材料复杂得多，一定程度上限制了颗粒增强复合材料在很多领域的应用，颗粒增强铝基复合材料的连接已成为当前国内外该领域研究的热点之一。

从已有的研究结果来看，SiC颗粒增强铝基复合材料的连接主要包括熔化焊、钎焊和扩散焊三大类。为了提高连接接头的强度，改善连接结构质量，研究人员还提出了许多新型的铝基复合材料连接技术，主要包括搅拌摩擦焊、脉冲激光焊、闪光对焊和等离子喷涂等。从已有的研究分析，颗粒增强铝基复合材料的连接技术应具备这样几个条件：1)能形成良好的连接接头，界面反应少；2)必须有效避免铝合金基体的氧化；3)尽量减少连接接头处增强颗粒的偏聚；4)操作简单，尽可能避免使用外加材料。对现有的各种颗粒增强铝基复合材料连接技术进行分析，发现它们对于连接SiC颗粒增强铝基复合材料都有一定的效果，但又都不同程度地存在着各种不足和问题。熔化焊存在的主要问题是高温焊接熔池中增强相颗粒易与基体铝合金发生反应生成脆性化合物；熔池粘度高、流动性差，增加了对气孔、未熔合等缺陷的敏感性；熔池凝固时发生增强相颗粒偏聚，影响接头的性能。钎焊过程中，液态钎料对SiC的润湿性差、连接区的弱连接比例比较高。液相扩散连接需要开发专门的中间层合金，而且目前不能完全有效地控制基体铝合金的熔化和增强颗粒的偏聚。同时，无中间层液相扩散连接作为一种新方法尚需进一步完善。在搅拌摩擦焊中，由于搅拌体的作用，SiC颗粒发生了重新分布，在接头区形成了增强颗粒的偏聚现象。在脉冲激光焊过程中，由于激光脉冲局部加热温度高，使增强颗粒与基体之间化学反应剧烈，形成了脆性化合物，降低了接头的强度。闪光堆焊的闪光后期，在接头端部形成了一层液体层，在压力作用下该液体层被挤出，使接头处的增强颗粒分布发生了变化。而等离子喷涂的主要问题是需要选择合适的喷涂粉末，同时连接效率也有待提高。因此，开发新型颗粒增强铝基复合材料连接技术具有特别重要的意义。

对SiC颗粒增强铝基复合材料的半固态特性研究表明，在一定的保温温度、保温时间和成形压力下，SiC颗粒增强铝基复合材料的半固态流变性能优于基体合金。颗粒增强铝基复合材料半固态流变性能的规律，对实际的半固态成形有重要的指导意义：在工艺参数一定时，可以适当提高复合材料中SiC颗粒体积分数，以获得优良的半固态流变性能和成形能力；也可以根据复合材料的半固态流变性能随温度、时间和压力的变化规律来选择工艺参数。欲使复合材料具有较好的半固态流变性能，通过选择较高的成形压力、较高的半固态保温温度和较长的保温时间，可以使颗粒增强铝基复合材料具有较好的流变特性，从而保证优良的成形能力。目前还没有利用SiC颗粒增强铝基复合材料的半固态特性进行连接的报道和专利申请。

发明内容

本发明提出一种颗粒增强铝基复合材料的半固态连接方法及装置，以克服上述弊端。

一种颗粒增强铝基复合材料的半固态连接方法，其特征在于：将颗粒增强铝基复合材料母料并排固定，采用电阻加热或感应加热方式将复合材料加热到基体铝合金的液-固两相温度区内液相线温度附近，在复合材料上加热的宽度比瞬间加载的宽度稍宽，以保证加载区域内触变流动的均匀性，随即对经加热的颗粒增强铝基复合材料进行瞬间加载，即用一个施加压力的转动轮对连接面进行碾压，利用处于半固态条件下的颗粒增强复合材料所具有的触变性，使颗粒增强铝基复合材料发生触变流动，从而实现颗粒增强铝基复合材料的连接。

通过速度调节器控制滚动连接压头的移动速度，从而控制加热时间和连接速度，通过加压装置调节滚动连接压头对颗粒增强铝基复合材料施加的压力。

一种颗粒增强铝基复合材料的半固态连接装置，由原位加热装置、测温热电偶、温度控制仪、滚动连接压头以及速度调节器组成，其中，原位加热装置、测温热电偶和滚动连接压头按先后顺序排列在一个平行于连接面的导杆上，并在电机的驱动下随滚动连接压头一起运动，温度控制仪通过引线与测温热电偶连接，速度调节器与滚动连接压头连接；可调式加压装置安装在滚动连接压头上，在连接装置两侧，设有固定连接母材的的夹具，以保证在连接过程中颗粒增强铝基复合材料的触变流动基本限制在加载范围之内。

采用该装置，先用其中的原位加热装置对颗粒增强铝基复合材料进行加热，并通过测温热电偶测温和温度控制仪控温，使待连接母材被加热到预定的温度，随后采用加压的滚动连接压头对经过加热的复合材料进行瞬间加载。

因此，本发明具有如下优点：

1、加热温度低，铝基体的氧化倾向小，同时增强颗粒与铝基体之间发生化学反应的倾向小。

2、由于加热温度在液相线温度附近，液体的粘度大，增强颗粒因液体流动发生偏聚的倾向小。

3、通过瞬间加载实现复合材料的触变流动，使复合材料实现良好的结合，加热加载过程顺序进行，生产效率高。

4、结晶过程中，由于连接温度低，结晶过程快，增强颗粒在结晶过程中出现推斥的可能性小，有利于消除增强颗粒的偏聚。

总之，通过本发明可以成功地实现颗粒增强铝基复合材料的连接，并且获得良好的连接接头。

附图说明

图1半固态连接装置示意图

1颗粒增强铝基复合材料母材料  2原位加热装置  3测温热电偶4加压装置  5滚动连接压头  6温度控制仪  7速度调节器

具体实施方式

SiC颗粒增强A356铝合金基复合材料中基体合金的液-固两相共存温度区间为578℃-615℃，选择的连接温度约为605℃。待焊接的颗粒增强铝基复合材料母材1采用原位加热装置2加热，利用测温热电偶3测量温度，通过温度控制仪6控制加热温度。通过速度调节器7控制滚动连接压头5的移动速度，从而控制加热时间和连接速度，通过加压装置4调节滚动连接压头对颗粒增强铝基复合材料施加的压力。当复合材料上局部所受的应力为10-20MPa时，实现了SiC颗粒增强A356铝合金基复合材料的连接，连接接头强度高，连接区域内SiC颗粒在A356合金基体的分布均匀性较复合材料母材没有明显变化，SiC颗粒周围没有明显的的脆化相形成。