脉冲电场和超声场辅助的金属基复合材料烧结同步连接方法及装置

摘要

本发明为脉冲电场和超声场辅助的金属基复合材料烧结同步连接方法及装置，公开一种含高体积分数增强相的镁（或铜）基复合材料烧结的同时与不锈钢连接的方法。此方法涉及的装置包括：密闭加热炉、脉冲电流加载系统、超声波载荷施加系统、压力和升降系统以及密封绝缘管等辅助装置。采用本发明的显著优势在于，金属基复合材料的烧结和异材连接同时进行；脉冲电流流经实验材料，引发界面电阻热、等离子放电热，烧结和连接界面升温及冷却速度快，降低外界辐射热，减少接头残余应力；利用脉冲电场‑超声场‑压力场的耦合作用，破除增强相表面氧化膜，实现大气条件下烧结，降低原子扩散激活能，促进界面冶金反应，控制颗粒形貌及尺度，细化界面晶粒，提高接头质量稳定性，有利于制备高综合性能的金属基复合材料/合金连接件。

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲电流和超声波复合辅助的金属基复合材料/合金烧结同步连接方法，具体为一种基于脉冲电流和超声波复合技术的含增强相的镁（或铜）基复合材料烧结，并同时实现该材料与异质合金连接的新方法。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，单一属性材料日趋难以满足高端装备和制造业的需要，对材料的轻质化、高强韧、强磨损、耐腐蚀、耐高温、功能/结构一体化等高参数提出了更为苛刻的要求。金属基复合材料是金属与陶瓷、晶须或碳纳米管颗粒等增强相组成的非均质复合材料，体现金属特性的同时具有超高强度，是国防军工及国民经济各个领域重要的结构材料和工具材料。然而，增强相与金属基体的成分、结构和性能相差极大，物化相容性较差，导致合成工艺复杂，也给随后的加工带来了很大的困难，如成品韧塑性较低、机械加工困难、不易制成大型或形状复杂构件等特性，成为掣肘其在相关领域应用的关键所在。只有通过与金属（或合金）结合提高其强韧性，避免复合材料部分尺寸过大，才能满足极端高温、高压、磨损及腐蚀环境中高参数工况的要求。本发明涉及的颗粒增强镁（或铜）基复合材料烧结以及复合材料与合金的连接，其技术难点均在于如何促进增强相/金属基体、增强相/合金以及金属基体/合金等异质材料之间的原子扩散和冶金反应，由于增强相多为非金属，其成键方式为稳定的共价键或离子键，且与金属材料物化性质差异大，加之表面氧化膜的阻碍，造成增强相/金属（合金）的烧结和连接难度极高。

外加能场辅助是当前材料成型领域的研究热点，脉冲电流具有低电压、高电流特性，在异质材料界面可产生电阻热和等离子放电热，降低外界辐射热需求，从而形成界面高温基体低温的差热烧结与扩散模式，电流活化效应通过降低原子扩散激活能，有助于空位迁移和元素固溶的机制，促进界面原子扩散和冶金反应的发生。同时超声场产生的声空化和声流效应，破碎表面氧化膜，辅助液态金属润湿于母材表面，促进异材元素扩散，超声振动的弥散作用，亦可避免界面元素或物相偏聚，改善冶金结合质量。

使用电场-超声波协同辅助制备颗粒增强金属基复合材料的现有技术如ZL201110037706.1号中国发明专利公开了一种脉冲电场-高能超声下合成颗粒增强铝基复合材料的方法，该方法在传统的熔体直接反应法制备金属基复合材料的原位反应合成过程中对熔体同时施加高能超声和脉冲电流。研究了纯Al和K₂ZrF₆+KBF₄粉剂在频率20KHz、强度2W/cm²的超声载荷以及频率0.1Hz，峰值电流密度为10A/cm²的脉冲电流作用下，制备Al₃Zr_(s)+ZrB_2(s)颗粒增强Al基复合材料。研究表明，高能超声场与脉冲电场耦合，可改善原位颗粒生成反应的热力学与动力学，促进反应物与熔体之间的混合，适合制备高性能微纳米颗粒增强复合材料。但是，该技术仅适用于脉冲电流-超声波复合辅助下的颗粒增强金属基复合材料制备，复合场辅助是否适用于金属基复合材料与异材的连接仍未可知，同时使用装置亦有显著不同。

使用超声辅助电阻焊接方法连接铝基复合材料的现有工艺如ZL200510009958.8号中国发明专利公开了一种铝基复合材料超声-电阻焊接方法，该方法的目的是克服铝基复合材料必需在真空环境下焊接的缺点，借助电流通过钎料和母材结合界面产生的电阻热代替辐射热，并辅助施加超声波振动，该方法优点在于无需使用钎剂、电阻加热快捷、施加的超声波可去除待焊表面的氧化膜，提高钎料的润湿性，改善二者结合性能，提高接头综合性能。但是，该技术使用静电场，没有脉冲电流在异材界面产生的放电等离子体，不具备脉冲电流降低原子扩散激活能、促进结合界面冶金反应、清洁异材界面的效应。且该方法仅适用于铝基复合材料之间的连接，脉冲电流-超声波复合辅助同时作用于金属基复合材料的制备和异材连接的研究则鲜有报道，是否适用于金属基复合材料/合金的连接也仍未可知。

上述及其他相关研究，均未将脉冲电流-超声波复合辅助同时作用于金属基复合材料制备和异材连接，且研究对象未曾涉及金属基复合材料与合金之间的连接。通常情况下，金属基复合材料的烧结以及该材料与合金的连接是相互独立的过程，本发明将金属基复合材料粉末压坯烧结与异材连接一体化，不仅简化了制备流程，更能充分利用粉末的较大比表面积，扩展复合材料与中间层合金、待连接合金的接触区域，增大扩散和冶金反应界面面积，是一种流程简单、设备集成度好、制备效率高的新方法。

发明内容

本发明目的在于解决上述增强相与金属基体烧结以及烧结体与合金的连接过程中，存在的异质材料物化差异大、材料表面氧化膜阻滞、界面原子扩散难度高、冶金反应难度大、接头连接强度低、质量不稳定的问题，提供一种脉冲电流-超声复合辅助的烧结和连接同步方法及装置，本发明还将复合材料二次无模烧结与异材连接一体化，解决效率低、设备要求高的缺陷。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种脉冲电场和超声场辅助的金属基复合材料烧结同步连接方法，包括如下步骤：

（1）、用砂纸打磨母材Ⅰ和母材Ⅱ待焊表面，并在丙酮中进行超声波清洗，晾干后将活性中间层合金箔放置于母材Ⅰ和母材Ⅱ之间构成实验材料；其中，母材Ⅰ为金属基复合材料，母材Ⅱ为合金材料；

（2）、调节施加于实验材料上的轴向压力保持在5~10MPa之间，调节加热炉将实验材料周围温度上升至200~400℃，保温30~60s；

（3）、接入脉冲电流，将峰值电流密度设置为0.1~10A/cm²，脉冲频率0.1~10Hz，异质材料烧结或扩散焊界面温度控制在500~1000℃，增大压力至15~20MPa以减小两母材间液相薄膜厚度，保温时间30~60s；

（4）、将轴向压力降低至3MPa，施加超声波，频率为1~20KHz，振幅5~50μm，强度5~18W/cm²引入超声时间为1~50s；

（5）、设定超声时间结束后，关闭超声电源，将轴向压力提升至15~20MPa，2~5min后关闭脉冲发生器电源，随后自然冷却至室温并取出实验材料。

基于上述方法，采用的脉冲电场和超声场辅助的金属基复合材料烧结同步连接装置，包括用于对实验材料提供辅助热源的加热系统，用于对实验材料施加脉冲电流的电场发生及传导装置，用于对实验材料施加超声振动的超声波发生及传导系统。

实验材料由具有搭接结构（或对接结构）的母材Ⅰ和母材Ⅱ以及位于搭接面（或对接面）之间的中间层合金箔组成。

提供辅助热源的加热系统包括用于对实验材料提供扩散焊预热和辅助热源的加热炉，所述加热炉内安装热电偶，所述加热炉外安装与热电偶连接的用于控制和检测实验材料的周围环境温度的温控装置。

施加脉冲电流的电场发生及传导装置包括位于加热炉外的脉冲电场发生器，所述脉冲电场发生器的正直流脉冲高压输出端和接地端分别通过电极引线连接位于加热炉内的上电极板和下电极板，所述实验材料位于下电极板上，所述电极引线外套有绝缘套管；所述下电极板连接有下绝缘压杆，所述下绝缘压杆穿出加热炉后连接下压块；所述上电极板连接上绝缘压杆，所述上绝缘压杆穿出加热炉后连接上压块；所述下压块由滚珠丝杠升降装置驱动，所述上压块对实验材料施加的轴向压力由液压装置提供。

施加超声振动的超声波发生及传导系统包括超声波发生装置和超声波传递装置，超声波发生装置由超声波发生电源和压电陶瓷换能器组成；超声波传递装置包括与压电陶瓷换能器连接的变幅杆，所述变幅杆连接超声传递杆，所述超声传递杆端部安装超声头，所述超声头头部朝下并压紧实验材料，其压下力由悬挂于超声传递杆上配重块提供，所述超声传递杆与加热炉腔体间采用绝缘陶瓷密封圈隔开。

实施时，本发明所述的加热系统包括为实验样件预加热和保温提供热源的加热炉，设于加热炉腔体内部的热电偶，设于炉外与热电偶相连用于控制和检测炉内环境温度的温度控制仪。辅助加热电源为热电偶或高频感应加热，电源为220v交流焊机，可提供50~500℃的温度区间。

本发明所述的脉冲电流施加系统包括脉冲电流电源、连接脉冲电源两极的上下电极板、上下绝缘压杆以及上下压块，上电极板与实验材料上表面接触，下电极板与实验材料下表面接触，从而形成脉冲电流闭合回路。脉冲电流电源采用脉冲电流发生器，以IGBT为数字功率模块，超微晶软磁合金材料为变压器铁芯，配有电压、电流自动反馈，系统故障诊断保护功能，电流峰值密度为 0.1~10A/cm²，脉冲频率为1~30Hz。脉冲电流发生器输出端和接地端分别通过电极引线与上下极板相连。电极板为圆盘形，上下电极板同时作为实验材料的上下压头，下电极板还起实验材料载物台的作用，电极材料均为钇钨合金，且电极引线外包覆有陶瓷绝缘套管。上下压杆穿过加热炉工作腔体上下炉壁，并使用耐高温耐磨陶瓷套筒将压杆与炉体隔开，保证腔体密封。上下压杆在腔体外与上下压块相连，由压力及升降控制系统调节上下压块位置并保持对实验材料的轴向压力，上电极板通过上绝缘压杆与上压块相连，由液压、气压或机械加压装置驱动，具有4~7cm的轴向行程，从而配合下电极板共同对实验材料施加轴向压力，下电极板通过下绝缘压杆与下压块连接，在底部滚珠丝杠装置带动下调整位置从而可以放置不同尺寸样件，并与超声振动头保持足够的接触作用力，下电极板具有2~4cm的轴向行程。故，上下压块最大行程分别为4~7cm和2~4cm，可依据试样厚度调整压头间距和试样位置，确保压头压紧试样并保持调定压力，并且使固定的超声头与试样表面产生接触力。电极为钨合金材质、压杆和压块均为AL₂O₃陶瓷材质，其中压杆和电极表面均涂覆耐高温耐氧化材料，避免非真空条件下发生氧化现象。加压方式为液压、气压或丝杠等机械加压装置，作用于上压块由上绝缘压杆传递至上电极板对实验材料施加轴向压力，下电极板升降调节系统为滚珠丝杠装置，起到支撑和调节实验材料轴向位置的作用。

本发明所述的超声场施加系统包括超声波电源、振动装置以及将超声波载荷传递至实验样件的超声振动传递系统；超声波振动装置包括连接超声电源的压电陶瓷换能器、固定螺栓、超声变幅杆，超声载荷传递系统包括连接螺栓、传递杆、超声头、支架以及加压配重块。（侧向驱动超声焊接设备）超声传递杆穿过加热炉工作腔侧壁，一端与超声头固接置于炉内与实验材料上表面接触，另一端与功率超声装置的变幅杆经法兰连接并置于炉外，超声头固设于传递杆端部用于压紧实验材料并施加超声振动，配重块悬挂于连接杆中部使超声头产生足够的下压力。压电陶瓷换能器固定于变幅杆上，传递杆和超声头在炉内部分均由绝缘陶瓷制成。超声发生器的振动频率为1~20KHz以及5~20W/cm²的振动强度。

与传统技术相比本发明具有以下优势和效果：

1、本发明将外接脉冲电场和超声场复合，作用于含增强相的金属基复合材料的制备以及该金属基复合材料与异种合金的扩散连接过程。因脉冲电流通过搭接材料，在异质材料界面形成电阻热和等离子放电热作为界面原子扩散和冶金反应的主要能量，从而极大的降低外接辐射热量，仅在焊接局部迅速升温达到连接温度，从而实现差热焊接方式，避免待焊材料产生剧烈的热膨胀效应，降低焊后残余热应力，大幅提高焊接效率的同时降低能耗。电脉冲可降低元素扩散激活能及界面反应的表观激活能，有利于促进原子扩散，提高界面反应生长速度；随着异质材料界面的温度迅速升高，当达到金属基体或中间层合金熔点后，材料在接触微区熔化，产生液相，外接超声场声波在液态材料中引起声空化及声流效应，可改变界面反应物的生长特性，控制界面处脆性相、低熔点共晶组织含量，提升增强相数量和均布程度，双场复合效应一个提速一个提质，可显著提升烧结和焊接效率，保证烧结和连接质量。

2、本发明将复合材料与合金的连接通过两者的扩散烧结实现，从而将金属基复合材料的烧结制备以及该材料与合金的连接这两个独立的过程融合为一步，工艺实施前仅需要对金属基复合材料进行预烧结，可简化制备流程，提高效率，降低设备要求。

3、本发明热源包括两部分，一部分为加热炉辐射热用于提升母材周围环境温度，起到预热母材和中间层的作用，另一部分为脉冲电流通过增强相/金属基体、金属基复合材料/中间层、中间层/合金的界面产生的电阻热和等离子放电热，该部分热量用于迅速提升增强相/金属基体烧结界面，母材/中间层扩散连接界面的温度致烧结或焊接温度。基于脉冲电流和超声场的复合效应，一方面可迅速升高烧结界面温度，降低辐射热和烧结时间，另一方面不断破除界面氧化膜，因此所述烧结和连接过程无需在真空或保护气氛环境中进行。

4、本发明所述方法，将含增强相金属基复合材料的合成以及该材料与合金的焊接过程一体化，制备时间缩短至5~15min，比现有技术缩短90%以上，复合材料内部增强相颗粒分布均匀，接头中增强相占比提高，脆性金属间化合物减少。特别是基体与颗粒烧结界面，母材与中间层合金的扩散连接界面洁净，显著的提升了烧结连接件的综合机械性能。

本发明设计合理，具体为一种脉冲电流和超声复合辅助的金属基复合材料在烧结的同时与合金进行扩散连接的技术，特别是一种含高体积分数增强相的镁（或铜）基复合材料烧结的同时与不锈钢连接的方法。

附图说明

图1表示本发明脉冲电流-超声辅助金属基复合材料烧结与该复合材料/合金扩散连接装置示意图。

图2 表示本发明超声辅助装置示意图。

图3 表示本发明加压及升降系统示意图。

图4表示实验材料以及中间层合金搭接示意图。

图中：1-脉冲电场发生器，2-绝缘套管，3-实验材料，4-下电极板，5-上电极板，6-上绝缘压杆，7-下绝缘压杆，8-热电偶，9-，10-超声波发生电源，11-压电陶瓷换能器，12-超声传递杆，13-压力及升降集成控制装置，14-加热炉，15-上压块，16-下压块，17-滚珠丝杠升降装置，18-电极引线，19-超声振动头，20-绝缘密封圈，21-变幅杆，22-配重块，24-支撑座，25-进给电机，26-滚珠丝杠，27-滑动升降台，28-联轴器，29-母材Ⅰ，30-中间层合金箔，31-母材Ⅱ。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述，但以下阐释仅用于说明本发明，而不是以任何形式限制本发明。

一种脉冲电场和超声场辅助的金属基复合材料烧结同步连接实验装置包括用于实验材料3提供辅助热源的加热系统，用于对实验材料3施加脉冲电流的电场发生及传导装置，用于对实验材料3施加超声振动的超声波发生及传导系统。

如图4所示，实验材料3由具有搭接结构的母材Ⅰ29和母材Ⅱ31以及搭接面之间的中间层合金箔30组成。母材Ⅰ29为金属基复合材料，可以是SiC和/或Al₂O₃和/或TiC和/或B₄C陶瓷颗粒增强镁（或铜）基复合材料、碳纤维增强镁（或铜）基复合材料、SiC和/或Al₂O₃和/或ZrO₂晶须增强镁（或铜）基复合材料中的一种。母材Ⅱ31为合金材料，可以是不锈钢或钛合金。不锈钢可以选择304不锈钢或316L不锈钢，钛合金可以选择TC4、TC6或TA15。中间层合金箔可以选择Ag基或Al基活性中间层合金箔。其中，Ag基活性中间层合金箔为Ag-Cu-Ti、Ag-Cu-Pd或Ag-Cu-Zn合金中的一种；Al基活性中间层合金箔为Al-Si、Al-Si-Mg或Al-Cu-Mg合金中的一种。在本实施例中，母材Ⅰ29和母材Ⅱ31分别为具有阶梯板状搭接结构的碳化硅镁基复合材料和316L不锈钢板，并置于两母材上下搭接面之间。本实施例中，中间层合金箔30为Ag-Cu-Ti合金箔。

如图1所示，辅助加热系统包括用于对实验材料3提供扩散焊预热和辅助热源的密封加热炉14，置于加热炉14内的热电偶8，置于腔体外与热电偶8连接的用于控制和检测实验材料3的周围环境温度的温控装置9。辅助加热系统采用220V交流电供电，加热炉14的工作温度范围为室温至500℃。

如图1所示，脉冲电场施加系统由脉冲电场发生器1，脉冲电场发生器1的正直流脉冲高压输出端和接地端分别通过电极引线18连接位于加热炉14内的上电极板5和下电极板4，实验材料3位于下电极板4上，电极引线18外套有绝缘套管2；下电极板4连接有下绝缘压杆7，下绝缘压杆7穿出加热炉14后连接下压块16；上电极板5连接上绝缘压杆6，上绝缘压杆6穿出加热炉14后连接上压块15；下压块16由滚珠丝杠升降装置17驱动，上压块17对实验材料3施加的轴向压力由液压装置提供。分别与发生器正直流脉冲高压输出端和接地端相连的上电极板5和下电极板4，上极板5的位置随上压块的行程确定，下电极板4随下压头在滚珠丝杠滑动升降台27的带动向下移动，上下电极板行程分别为6cm和3cm，上下电极板分别与上下绝缘压杆通过螺栓连接，下电极板4同时起到载物台的作用，将实验材料3至于下电极板之上。上下电极板上均焊有接线柱，接线柱与电极引线18 通过螺母连接，电极引线18另一端与加热炉腔体外部的脉冲电流发生器1连接。电极引线18上套有用于将引线和加热炉隔绝的绝缘套管2。在本实施例中，上下电极板均由钇钨合金制成，上电极板5直径为36cm，下电极板4直径为34cm；在本实施例中，绝缘套管由石英玻璃制成，电极引线由耐高温镀银铜线制成。本实施例中脉冲电流发生器可产生电流峰值密度为 0.1~5A/cm²的脉冲高压，脉冲频率为1~20Hz。

如图3所示，压力施加及下压块升降系统包括压力及升降集成控制装置13，上压块15，下压块16，上下绝缘压杆6、7以及控制下压块位置的滚珠丝杠升降装置17，上压块对实验材料施加的轴向压力由液压装置提供。滚珠丝杠升降装置17包括支撑座24、进给电机25、滚珠丝杠26、滑动升降台27以及联轴器28，支撑座24内并列安装两根滚珠丝杠26，两根滚珠丝杠26上分别通过轴承安装滑动升降台27，下压块16位于滑动升降台27上，滚珠丝杠26通过联轴器28与进给电机25输出轴连接。绝缘压杆由耐高温、耐高压的绝缘陶瓷材料制成，与加热炉14接触区域通过密封圈隔开。下电极板可以在滚珠丝杠装置17带动下调整到合适位置，从而与超声传递杆12端部保持一定的接触压力，实现超声波的传递。位置调整完毕，再由上压块产生一定的下压力，压力系统可施加0.1~20MPa焊接压力。在本实施例中，绝缘压杆由耐高温的Al₂O₃陶瓷制成。本实施例中，压力及升降均由压力机升降集成控制装置13控制。本实施例中，滑块升降台27到合适位置后，由锁止装置将升降台位置固定后，再通过上压块15施压。

如图2所示，超声波施加系统包括超声波发生装置和将超声波传递至实验材料3的超声波传递装置，超声波发生装置由超声波发生电源10和压电陶瓷换能器11组成；超声波传递装置包括变幅杆21，超声传递杆12，固设于超声传递杆端部的超声头19，其头部朝下并压紧实验材料，压下力由悬挂于传递杆12下部的配重块22提供，超声传递杆与变幅杆通过螺栓连接。超声传递杆与加热炉腔体间用绝缘陶瓷密封圈20隔开。本实施例中，超声传递杆12，超声振动头19，绝缘密封圈20均由氮化硅陶瓷制成。本实施例中，超声波发生电源10产生超声信号，经陶瓷压电换能器11将信号转化为机械振动，并由变幅杆21将振幅进一步放大并聚能，最后通过超声头19传递至实验材料3，可产生的超声波振动强度为5~18W/cm²，振幅为5~30μm振动频率为20~40KHz。

在本发明其他的脉冲电流-超声波复合辅助扩散焊装置的其它实施例中，上电极板5和下电极板4的间距可以随升降系统14升降行程，以及加压系统上压块15的移动而不同。

在本发明其他的脉冲电流-超声波复合辅助扩散焊装置的其它实施例中，辅助加热系统可以采用多种热源，如热电偶加热、高频感应加热等。

在本发明其他的脉冲电流-超声波复合辅助扩散焊装置的其它实施例中，电极引线可以用铂铑合金、镍铬合金、镍硅合金或纯铂材质制成。

在本发明其他的脉冲电流-超声波复合辅助扩散焊装置的其它实施例中，超声传递杆、超声振动头、绝缘压杆、绝缘套管、绝缘密封圈和接线柱的材料可以为其他高硬耐高温陶瓷材料。

在本发明其他的脉冲电流-超声波复合辅助扩散焊装置的其它实施例中。

为实现本发明目的，结合本发明装置的示意图（如图1），说明实现本发明方法如下：

A、实验材料的制备：

材料：选用微米级别的镁合金或铜合金粉末作为基体材料，微米级别（≤20μm）增强相（如SiC陶瓷颗粒），首先采用高能球磨法将一定比例的增强相颗粒和基体材料进行高能球磨合金化，球磨机转速为1200~1500rpm，球磨时间6~10h，将增强体和基体材料混合均匀，利用真空烧结炉混合粉末进行烧结，在2~3MPa压力下制备预烧结块体。将中间层合金制成薄片状。

使用金刚石磨盘将预烧结块及合金待焊表面打磨平整、光洁，然后用0.5μm的金刚石抛光机抛光，直至界面光亮平整，并用丙酮清洗复合材料预烧结体与合金表面，晾干或晒干备用。

B、烧结装置的构建和调试

烧结装置主体由带有感应加热线圈的烧结炉体、脉冲电流发生器以及超声发生器组成。脉冲大电流可在异材界面形成放电等离子体，并产生外接电场效应；超声载荷传递装置与复合材料试样非连接表面接触，产生超声振动和声流等超声场效应，装置示意图如图1所示。将复合材料预烧结试样、中间层合金箔以及合金试样按图4所示装配，并置于下电极板圆盘上表面，上下电极板将实验样件压实，调试脉冲电流发生器至合适的极性、电流、电压，调试超声发生器至合适的频率，待烧结时开启，该装置无需设置预烧结体的二次烧结模具。

C、烧结程序

施加较低辐射热量，预热样件及中间层合金，基于合理的施加顺序，通入脉冲电流并加载超声波载荷，工作时，脉冲大电流经由上电极→样品→下电极→电源。脉冲电流可在增强相/金属基体，金属基复合材料预烧结坯/中间层合金箔以及中间层合金箔/合金的界面处产生电阻热、等离子放电热使异材界面迅速升温至烧结温度，致使除增强相以外的其他材料（包括金属基体、合金试样以及中间层）在异质材料界面局部均发生不同程度熔化。此外，电场致扩散效应、放电冲击压力以及超声场声空化、声流效应的复合作用，会降低元素扩散激活能、净化活化界面、破除材料表面氧化膜，同时实现复合材料的烧结以及复合材料/合金的低温、快速、高质量冶金连接。

实现本发明的脉冲电场和超声场参数方面的特征如下：

a、施加的脉冲电场参数为：脉冲电流属方波直流电，输出电流1000~4000A，升温过程电流不低于1200A，保温过程电流不低于300A，通电时间3~10min，脉冲比频率为1~30Hz。

b、施加的超声波参数为：频率1~20KHz，振幅5~50μm，引入超声时间为1~50s，工具头面积3~10mm²，超声波强度为5~18W/cm²。

采用本发明方法的显著优势在于，金属基复合材料的烧结和异材连接同时进行；脉冲电流流经实验材料，引发界面电阻热、等离子放电热，烧结和连接界面升温及冷却速度快，降低外界辐射热，减少接头残余应力；利用脉冲电场-超声场-压力场的耦合作用，破除增强相表面氧化膜，实现大气条件下烧结，降低原子扩散激活能，促进界面冶金反应，控制颗粒形貌及尺度，细化界面晶粒，提高接头质量稳定性，有利于制备高综合性能的金属基复合材料/合金连接件。

下面通过实施例对本发明的脉冲电流-超声波复合辅助扩散焊方法做进一步的详细说明。

实施例1

脉冲电流-超声波复合辅助SiC镁基复合材料烧结同步扩散连接316L不锈钢板。

1、制备实验材料

a、待焊母材为高体积分数SiC镁基粉末预烧结坯和316L不锈钢板，切割成8×15×30mm的长方体，并加工成台阶状的搭接结构，并用800#~1200#砂纸打磨母材待焊表面，在丙酮中超声波清洗，晾干备用。预烧结坯在扩散焊过程中同步的进行二次烧结，其中SiC增强相的体积分数为10%~50%，SiC粉体平均直径为100nm，金属基体为AZ61镁合金粉体；

b、将中间层Ag-21Cu-4.5Ti（Ag含量74.5%，Cu含量21%，Ti含量4.5%）合金切割成8×8×0.3mm的薄片，在丙酮中超声波清洗，晾干备用；

c、将中间层合金箔置于母材搭接面之间，并将两块母材对扣装配在一起，置于下电极板面之上，启动压力装置对实验材料施加5MPa的初始压力。

2、辅助场装置调试

a、脉冲电场电源、超声波发生器均接入220V交流电；

b、采取上电极板接正直流脉冲高压输出端，下电极接地线的接法，将脉冲电源的输出电流调至1200A，脉冲频率设定为20Hz后关闭脉冲电源，待实验需要时开启；

c、将超声波发生器强度调至5W/cm²、超声频率调至20KHz，调整下部的滚珠丝杠装置，将超声振动头与复合材料的非焊接表面接触并压紧，关闭超声发生器电源，待实验时开启。

3、扩散焊过程

SiC增强镁基复合材料中增强相的体积分数为10%~50%，随着陶瓷颗粒体积分数提升：Ⅰ、复合材料预烧结坯导电性下降；Ⅱ、SiC颗粒/AZ61、SiC颗粒/Ag-21Cu-4.5Ti异质界面增大，SiC颗粒与金属的物化性质差异显著；Ⅲ、更大面积的陶瓷颗粒氧化膜阻滞元素扩散；以上原因导致更高体积分数的增强相实验材料对应更高的脉冲电流密度和超声强度。10%~50%增强相体积分数对应的脉冲峰值密度、超声强度以及超声频率的范围分别为，0.5~4.5A/cm²，6~18W/cm²和20~30KHz，其它参数无需改变。本实施例以30%（≥30%即为高体积分数）的SiC陶瓷增强相为具体实施对象，a)调节加热炉将母材周围温度上升至300℃，保温60s；b)接入脉冲电流，将峰值电流密度为3A/cm²接触面温度控制在600~800℃，保温时间50s，增大压力至20MPa以减小两母材间液相薄膜厚度；c)>2引入超声时间为30s；d)设定超声时间结束后，关闭超声电源，60s后关闭脉冲发生器电源，对母材施加20MPa轴向压力，随后让试件自然冷却至室温并取出试样。

4、使用万能拉伸试验机测量搭接接头的剪切强度，经检测结果为76.5MPa，高于热压烧结以及SPS烧结的连接强度。

实施例2

脉冲电流-超声波复合辅助B4C铜基复合材料烧结同步扩散连接Ti-6Al-4V合金。

1、制备实验材料

a、待焊母材为高体积分数B₄C铜基粉末预烧结坯和Ti-6Al-4V（Ti含量90%，Al含量6%，V含量4%）合金板，切割成8×15×30mm的长方体，并用800^#~1200^#砂纸打磨母材待焊表面，在丙酮中超声波清洗，晾干备用。预烧结坯在扩散焊过程中同步的进行二次烧结，其中B₄C增强相的体积分数为10%~50%，B₄C粉体平均直径为100nm，Cu粉为气雾化球型粉末；

b、将中间层Al-12Si（Al含量88%，Si含量12%）非晶合金切割成8×8×0.3mm的薄片，在丙酮中超声波清洗，晾干备用；

c、将中间层合金箔置于母材搭接面之间，并将两块母材按对接方式装配，置于下电极板面之上，启动压力装置对母材施加5MPa的初始压力。

2、辅助场装置调试

a、脉冲电场电源、超声波发生器均接入220V交流电；

b、采取上电极板接正直流脉冲高压输出端，下电极接地线的接法，将脉冲电源的输出电流调至1200A，脉冲频率设定为20Hz后关闭脉冲电源，待实验需要时开启；

c、将超声波发生器强度调至5W/cm²、超声频率调至20KHz，调整下部的滚珠丝杠装置，将超声振动头与复合材料的非焊接表面接触并压紧，关闭超声发生器电源，待实验时开启。

3、扩散焊过程

B₄C增强铜基复合材料中增强相的体积分数为10%~50%，随着陶瓷颗粒体积分数提升：Ⅰ、复合材料预烧结坯导电性下降；Ⅱ、B₄C颗粒/Cu、B₄C颗粒/Al-12Si异质界面增大，B₄C颗粒与金属的物化性质差异显著；Ⅲ、更大面积的陶瓷颗粒氧化膜阻滞元素扩散；以上原因导致更高体积分数的增强相实验材料对应更高的脉冲电流密度和超声强度。10%~50%增强相体积分数对应的脉冲峰值密度、超声强度以及超声频率的范围分别为，1~5A/cm²，8~18W/cm²和20~30KHz，其它参数无需改变。本实施例以30%的B₄C陶瓷增强相为具体实施对象，a)调节加热炉将母材周围温度上升至350℃，保温60s；b)接入脉冲电流，将峰值电流密度为3.5A/cm²接触面温度控制在600~800℃，保温时间80s，增大压力至20MPa以减小两母材间液相薄膜厚度；c)>2引入超声时间为40s；d)设定超声时间结束后，关闭超声电源，100s后关闭脉冲发生器电源，对母材施加20MPa轴向压力，随后让试件自然冷却至室温并取出试样。

4、使用万能拉伸试验机测量搭接接头的剪切强度，经检测结果为82.6MPa，高于热压烧结以及SPS烧结的连接强度。

以上两个实施例中母材间的接头形式也可以是搭接接头也可以是对接接头形式，压力施加装置可以是液压装置或者滚珠丝杠等机械装置。

复合场辅助的复合材料二次烧结同步异材扩散焊的工作原理：在脉冲电流和超声振动的复合效应下，同步完成增强相的金属基复合材料的二次烧结和该复合材料/合金的扩散连接。首先复合场应用于复合材料二次烧结，脉冲电流对陶瓷增强金属基复合材料预烧结坯起到放电等离子烧结的作用，结合超声振动从而去除异材界面氧化膜，防止增强相团聚，提高其均布程度；其次复合场应用于复合材料/合金的扩散连接，脉冲电场可降低元素扩散激活能借助脉冲电流引起的界面接触电阻热及等离子放电热代替外界热源，仅界面局部产生瞬时高温，避免晶粒长大，防止母材过度熔蚀，热变形、焊接速度快；利用超声波及脉冲电流对母材表面的净化活化及对表面氧化膜的破除以及超声除杂效应代替真空或惰性气体的保护作用。从而实现在无外界热源、大气环境中，金属基复合材料/合金的高效、高可靠性、低温、低残余应力冶金结合。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。