CN102554449A

CN102554449A - 连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法

Info

Publication number: CN102554449A
Application number: CN2012100335468A
Authority: CN
Inventors: 李卓然; 张相龙; 冯广杰; 刘羽; 冯吉才
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: CN102554449B

Abstract

连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，它涉及连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法。本发明要解决传统焊接方法整体加热温度高，导致增强相碳纤维与铝之间发生严重的界面反应，恶化母材性能的问题。方法：一、将钛粉、铝粉、纳米碳粉、锡粉和铜粉混合，球磨得到混合粉末；二、将混合粉末压制成中间层；三、将中间层置于铝基复合材料与金属之间件，放到真空炉内整体加热，施加压力，加热至500℃时停止加热，随炉冷却至室温。本发明制备的粉末中间层点燃温度低，在点燃温度点附近进行整体加热，不会恶化母材的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。利用本发明中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，接头强度可达45.7MPa。

Description

连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法

技术领域

本发明涉及连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法。

背景技术

铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐磨性，优异的耐高温性能和低的热膨胀系数，良好的导电、导热性、抗疲劳性，以及在潮湿或辐射环境下良好的尺寸稳定性等优点，是一种理想的轻质高强材料。碳纤维增强铝基复合材料密度小于铝合金，模量却比铝合金高2～4倍，在250℃时其抗拉强度仍能保持室温抗拉强度的81％，其疲劳强度比铝合金高38％。制成的构件具有质量轻、刚性好、较小的壁厚、较高的稳定性，可大大提高设备容量和装载能力。用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系数低、导热性好，可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面天线的增益效率提高4倍。DWA公司用石墨纤维增强铝基复合材料为NASA和Lockheed公司制造卫星上的波导管。用这种材料制成的波导管不但轴向刚度高、膨胀系数低、导电性能好，而且比原用石墨/环氧一铝层复合制成的波导管轻30％。随着C/Al复合材料工程化应用进展的加快，材料自身及与其它材料之间的连接问题已变得越来越重要。

纤维增强金属基复合材料由基体金属及增强纤维组成，焊接这种复合材料的难点在于，在较高的温度下，金属基复合材料中的基体与增强纤维之间通常是热力学不稳定的，两者的接触界面上易发生化学反应，生成对材料性能不利的脆性相，这种反应通常称为界面反应。碳在固态和液态铝中的溶解度都不大，固溶度为0.015％；而在800℃、1000℃、1100℃和1200℃时的溶解度分别为0.1％、0.14％、016％和0.32％。在室温到1670℃的温度范围内，Al与C反应生成Al₄C₃的标准生成自由能都为负值。因此，铝与碳在热力学上是不相容的，它们在低温下已开始反应，只是速度非常缓慢，随着温度的上升，反应越来越剧烈，生成的Al₄C₃量也越来越多。两者明显发生作用的温度根据基体成分和碳纤维结构的不同而不同，约在400℃～500℃之间。焊接温度在该范围之上的焊接方法均会引起明显的界面反应。Al₄C₃为脆性针状组织，可使基体与增强纤维之间的界面强度剧烈下降，严重恶化母材的性能。目前，对于纤维增强铝基复合材料的连接主要集中在电弧焊、钎焊以及扩散焊等方法的研究，然而电弧焊由于熔池温度较高、加热面积较大，会导致增强相与基体发生严重的界面反应；扩散焊由于连接温度高、加热时间长，也同样会导致界面反应的大面积发生；钎焊中的软钎焊虽然可以实现纤维增强铝基复合材料的连接，但软钎料焊接的接头非常脆，冷却过程中就可能发生断裂。本发明提出一种可以实现碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接方法，连接质量较高，使碳纤维增强铝基复合材料与金属间达到很好的冶金结合，同时也不会恶化母材的性能。

发明内容

本发明要解决传统焊接方法整体加热温度高，导致增强相碳纤维与铝之间发生严重的界面反应，恶化母材性能的问题；而提供了连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法。

本发明提供了一种连接质量较好的、可以实现碳纤维增强铝基复合材料与金属连接的方法，同时不会恶化母材的性能。

连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、按重量份数比将31～35份目数≥325目的钛粉、41～45份目数≥325目的铝粉、2～4份纳米碳粉、10～12份目数≥325的锡粉和9～11份目数≥325铜粉混合，置于球磨罐内，按球料质量比为5∶1比例放入磨球，氩气进行保护，以300～500r/min速度球磨2～3h得到混合粉末；

步骤二、将步骤一获得的混合粉末压制成相对密度为60％～80％和厚度为1～3mm的中间层，然后放在密闭容器中；

步骤三、将步骤二获得的中间层置于铝基复合材料与金属之间装配成“三明治”式装配件，然后将装配件夹好放到真空炉内整体加热，同时施加5MPa的压力，加热至500℃时停止加热，随炉冷却至室温，从而实现了碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接。

本发明中采用自制的粉末中间层，由Ti粉、Al粉、C粉、Sn粉和Cu粉按一定的重量配比组成，压制成1～2mm厚的圆柱体，放置在C/Al复合材料与金属之间，装配成“三明治”式结构，放入真空炉中加热，同时施加一定的压力，加热到一定的温度时，实现连接。试验中利用自制的粉末中间层中的Ti粉与C粉燃烧放出大量的热，部分熔化与中间层接触的C/Al复合材料与金属，使二者发生冶金结合，实现连接。然而Ti与C的反应温度为1000℃以上，因此本实验为了降低粉末的点燃温度，利用Al、Sn和Cu在较低温度下(小于500℃)可以形成低熔共晶，当加热到共晶温度时，粉末中产生液相，部分Ti粉和C粉溶解在液相中，随着温度的升高，溶解的量逐渐增多，Ti与液相中的Al发生反应，生成Al₃Ti，属于放热反应，随着反应的进行，放热量逐渐增多，使体系的温度逐渐升高，达到Ti与C的反应温度，Ti与C发生反应放出大量的热，使两侧与中间层粉末接触的母材熔化，达到连接的效果。而在此共晶温度点附近，C与Al的界面反应较微弱，不会影响C/Al复合材料的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。

本发明的优点：一、本发明制备的粉末中间层点燃温度低，在点燃温度点附近进行整体加热，不会恶化母材的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。二、利用本发明中的中间层连接碳纤维增强铝基复合材料与金属，中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，连接质量好，接头强度可达45.7MPa。

附图说明

图1是利用本发明中的中间层连接C_f/Al复合材料与TiAl的焊缝宏观形貌图。

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：本实施方式中连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、按重量份数比将31～35份目数≥325目的钛粉、41～45份目数≥325目的铝粉、2～4份纳米碳粉、10～12份目数≥325目的锡粉和9～11份目数≥325目的铜粉混合，置于球磨罐内，按球料质量比为5∶1比例放入磨球，氩气进行保护，以300～500r/min速度球磨2～3h得到混合粉末；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按重量份数比将32～34份目数≥325目的钛粉、42～43份目数≥325目的铝粉、2.5～3.5份纳米碳粉、10.5～11.5份目数≥325目的锡粉和9.5～10.5份目数≥325目的铜粉混合。其它步骤和参数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：步骤一中按重量份数比将33份目数≥325目的钛粉、42.5份目数≥325目的铝粉、3.0份纳米碳粉、11份目数≥325目的锡粉和10份目数≥325目的铜粉混合。其它步骤和参数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至三之一不同的是：步骤二所述压制是利用半自动的液压机器进行的。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

采用下述试验验证发明效果：

试验一：连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、按重量份数比将33份目数为325目的钛粉、43份目数为325目的铝粉、3份纳米碳粉、11目数为325目的锡粉和10份目数为325目的铜粉混合，置于球磨罐内，按球料质量比为5∶1比例放入磨球，氩气进行保护，以300r/min速度球磨2h得到混合粉末；

步骤二、将步骤一获得的混合粉末压制成相对密度为70％和厚度为2mm的中间层，然后放在密闭容器中；

本试验接头如图1，由图1可知，中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，连接质量好，接头强度可达55.7MPa。

Claims

1.连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按下述步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一中按重量份数比将32～34份目数≥325目的钛粉、42～43份目数≥325目的铝粉、2.5～3.5份纳米碳粉、10.5～11.5份目数≥325目的锡粉和9.5～10.5份目数≥325目的铜粉混合。

3.根据权利要求1所述的连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一中按重量份数比将33份目数≥325目的钛粉、42.5份目数≥325目的铝粉、3.0份纳米碳粉、11份目数≥325目的锡粉和10份目数≥325目的铜粉混合。

4.根据权利要求1、2或3所述的连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤二所述压制是利用半自动的液压机器进行的。