CN102350553B - 一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，涉及一种陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法。本发明是要解决现有高体积含量陶瓷增强铝基复合材料钎焊钎料润湿性不好，钎焊接头强度低的问题。方法：一、对待焊面进行处理；二、溅射沉积Ti活性层；三、真空钎焊，随炉冷却至室温，即完成高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接。本发明钎料在母材表面的润湿性好，钎料与增强相能够形成有效连接，接头的剪切强度高。应用于陶瓷增强铝基复合材料焊接领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法。
背景技术
复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料。铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基复合技术容易掌握，易于加工等。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。但是，增强相的引入，使得其焊接工艺过程变得相当困难。目前铝基复合材料的连接主要包括熔化焊、固相焊、钎焊三大类，而钎焊由于加热时间短，焊接温度低，对增强体不会造成大的损伤，且这种方法简单易行，对焊件尺寸、形状等有较大的自由度，因此被认为是最有可能用于金属基复合材料焊接的方法。
但是，铝本身钎焊性不良，加入高体积含量增强相后，母材的润湿性和陶瓷相得连接成为钎焊铝基复合材料最主要的问题。采用常规焊接铝合金的Al-Si系钎料和Zn-Al系钎料焊接复合材料时，钎料-增强相之间的连接为弱连接，连接界面几乎不发生反应。所以，当增强相体积分数很大时，常规的Al-Si系钎料或者Zn-Al系钎料在复合材料表面的润湿性不好，接头的剪切强度不高，约为20～40MPa。另外由于复合材料基体材料Al熔点仅为660℃，在600℃就会发生过烧现象，所以，钎焊温度在600℃以下时，很难实现钎料对复合材料良好润湿、钎料和增强相的良好连接。
发明内容
本发明是要解决现有高体积含量陶瓷增强铝基复合材料钎焊钎料润湿性不好，钎焊接头强度低的问题，提供一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法。
本发明高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，按以下步骤进行：一、对待焊面进行处理：将Al-Si-Mg钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的待焊面用砂纸打磨，然后将钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料浸入丙酮中超声波清洗10～20min，晾干；二、溅射沉积Ti活性层：将步骤一处理后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空磁控溅射设备中，溅射沉积厚度为500nm～2μm的Ti活性层；三、真空钎焊：将溅射沉积Ti活性层之后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空钎焊炉中，采用Al-Si-Mg钎料，以10～20℃/min的速度，升温到550～600℃，保温5～30min，再以15℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，即完成高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接。
本发明采用Ti作为钎焊接头的活性层，采用Al-Si-Mg作为钎料，在升温过程中Al-Si-Mg熔化后，Al和Si元素与活性层中的Ti元素反应生成化合物，形成反应层，并且钎料中的Si元素也扩散到母材的铝合金基体当中形成Al-Si共晶组织。其中，Ti活性层可以改善钎料在母材的润湿性，钎料在母材(铝基复合材料)表面的润湿性好，钎料与增强相能够形成有效连接；并且钎料中的Al、Si元素与活性层中的Ti元素反应生成针状的Ti(Al，Si)化合物，化合物的针状结构有益于提高接头的剪切强度，接头的剪切强度达60～90MPa，溅射沉积Ti活性层后的接头剪切强度比相同工艺参数下未溅射沉积Ti活性层的接头提高了5～8倍。本发明在600℃以下即可实现钎料对复合材料的良好润湿及钎料和增强相的良好连接。
附图说明
图1为具体实施方式十八中Al-11Si-2Mg钎料在溅射沉积Ti活性层的铝基复合材料表面的润湿性照片；图2为具体实施方式十八中Al-11Si-2Mg钎料在未溅射沉积Ti活性层的铝基复合材料表面的润湿性照片；图3为具体实施方式十八得到的连接接头扫描电镜照片；图4为图3中A处的放大图；图5为具体实施方式十八中使用未溅射沉积Ti活性层的铝基复合材料得到的连接接头扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，按以下步骤进行：一、对待焊面进行处理：将Al-Si-Mg钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的待焊面用砂纸打磨，然后将钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料浸入丙酮中超声波清洗10～20min，晾干；二、溅射沉积Ti活性层：将步骤一处理后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空磁控溅射设备中，溅射沉积厚度为500nm～2μm的Ti活性层；三、真空钎焊：将溅射沉积Ti活性层之后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空钎焊炉中，采用Al-Si-Mg钎料，以10～20℃/min的速度，升温到550～600℃，保温5～30min，再以15℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，即完成高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接。
本实施方式所述高体积含量陶瓷增强铝基复合材料是指陶瓷增强体的体积百分比含量高于35％的铝基复合材料。
本实施方式中Ti活性层可以改善钎料在母材的润湿性，钎料在母材(铝基复合材料)表面的润湿性好，钎料与增强相能够形成有效连接；并且钎料中的Al、Si元素与活性层中的Ti元素反应生成针状的Ti(Al，Si)化合物，化合物的针状结构有益于提高接头的剪切强度，接头的剪切强度达60～90MPa，溅射沉积Ti活性层后的接头剪切强度比相同工艺参数下未溅射沉积Ti活性层的接头提高了5～8倍。本实施方式在600℃以下即可实现钎料对复合材料的良好润湿及钎料和增强相的良好连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中超声波清洗10min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中超声波清洗20min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中超声波清洗15min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中溅射沉积厚度为500nm的Ti活性层。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中溅射沉积厚度为2μm的Ti活性层。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中溅射沉积厚度为600nm～1.5μm的Ti活性层。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中溅射沉积厚度为800nm～1.2μm的Ti活性层。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中溅射沉积厚度为1μm的Ti活性层。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中以10℃/min的速度升温。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中以20℃/min的速度升温。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中以15℃/min的速度升温。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤三中升温到550℃。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤三中升温到600℃。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤三中升温到570℃。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：步骤三中保温10～20min。其它与具体实施方式一至十五之一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：步骤三中保温15min。其它与具体实施方式一至十五之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，按以下步骤进行：一、对待焊面进行处理：将Al-11Si-2Mg钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的待焊面用砂纸打磨，然后将钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料浸入丙酮中超声波清洗15min，晾干；二、溅射沉积Ti活性层：将步骤一处理后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空磁控溅射设备中，溅射沉积厚度为1μm的Ti活性层；三、真空钎焊：将溅射沉积Ti活性层之后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空钎焊炉中，采用Al-11Si-2Mg钎料，以15℃/min的速度，升温到570℃，保温15min，再以15℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，即完成高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接。
本实施方式获得钎焊接头的剪切强度为83.96MPa，本实施方式Al-11Si-2Mg钎料在溅射沉积Ti活性层的铝基复合材料表面的润湿性照片如图1所示，Al-11Si-2Mg钎料在未溅射沉积Ti活性层的铝基复合材料表面的润湿性照片如图2所示。由图1和图2可以看出，钎料在溅射沉积Ti活性层的母材表面的润湿性较好，说明Ti活性层可以改善钎料在母材的润湿性。
本实施方式方法得到的连接接头扫描电镜照片如图3所示，图4为图3中A处的放大图。使用未溅射沉积Ti活性层的铝基复合材料(其他工艺参数与本实施方式相同)得到的连接接头扫描电镜照片如图5所示。
由图5可看出，当铝基复合材料表面未溅射Ti活性层时，钎焊接头中钎料与母材之间有明显的空隙，大部分区域钎料与母材没有连接，也未发生扩散和反应，钎焊接头结合非常不理想。在同样工艺参数下溅射沉积Ti活性层后再钎焊(如图3)，界面结合良好，钎料与母材连接紧密，有明显的反应层，钎焊接头中没有明显缺陷。从图4的溅射沉积Ti活性后的钎焊界面放大照片可以看出，在反应层当中，有针状Ti-Al-Si三元化合物生成，这些化合物贯穿反应层插入母材当中，起到钉扎作用，从而提高了接头强度。
Claims (9)
1.一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，按以下步骤进行：一、对待焊面进行处理：将Al-Si-Mg钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的待焊面用砂纸打磨，然后将钎料和高体积含量陶瓷增强铝基复合材料浸入丙酮中超声波清洗10～20min，晾干；二、溅射沉积Ti活性层：将步骤一处理后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空磁控溅射设备中，溅射沉积厚度为500nm～2μm的Ti活性层；三、真空钎焊：将溅射沉积Ti活性层之后的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料置于真空钎焊炉中，采用Al-Si-Mg钎料，以10～20℃/min的速度，升温到550～600℃，保温5～30min，再以15℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，即完成高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接；所述的高体积含量陶瓷增强铝基复合材料为陶瓷增强体的体积百分比含量高于35%的铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤一中超声波清洗15min。
3.根据权利要求1或2所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤二中溅射沉积厚度为500nm的Ti活性层。
4.根据权利要求1或2所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤二中溅射沉积厚度为2μm的Ti活性层。
5.根据权利要求1或2所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤二中溅射沉积厚度为600nm～1.5μm的Ti活性层。
6.根据权利要求1或2所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤二中溅射沉积厚度为1μm的Ti活性层。
7.根据权利要求3所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤三中以15℃/min的速度升温。
8.根据权利要求7所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤三中升温到570℃。
9.根据权利要求8所述的一种高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法，其特征在于步骤三中保温10～20min。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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