CN103894719B - 一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法 - Google Patents

一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，公开了一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法。该法包括以下步骤：（1）将铝基复合材料与钛合金的待焊接表面进行预处理；（2）以铝基复合材料在下、钛合金在上的形式放入焊接模具中，两者的待焊接表面紧密贴合；（3）将装有铝基复合材料与钛合金的焊接模具放入热压炉内进行焊接处理。本发明解决了现有的铝基复合材料与钛合金焊接时，在界面处产生裂纹或断续微裂纹、焊接温度过高、接头强度很低、产生气孔或扩散空洞、引入其它化学成分的技术问题。本发明所得到的产品界面结合较好，性能得到改善。

Description

一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种铝基复合材料与钛合金的连接方法，特别涉及一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法。
背景技术
高体积分数碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料具有优异的结构承载功能、卓越的热控功能以及独特的防共振功能，它的比模量可以达到铝合金和钛合金的三倍，热膨胀系数比钛合金还低，热导率则远高于铝合金，平均谐振频率比铝、钛、钢三大金属结构材料高出60%以上，这种结构/功能一体化的综合性能优势使得此新型材料在航空航天精密仪器结构件、微电子器件封装元件等领域有着广阔的应用前景。然而，高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料在制作结构件时，不可避免与其他金属进行连接，而TC4钛合金的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1,与复合材料的系数（8.3×10-6K-1）相近，所以常常会把这两种材料连接起来。
对于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料而言,由于其中的SiC颗粒的体积分数超过了50%,颗粒含量过高，且复合材料中增强相与基体之间的物理化学性能差异很大，在较高的温度下，复合材料中的增强相与基体之间通常是热力学不稳定的，两者的接触界面上易发生界面反应，生成对材料性能不利的脆硬相Al4C3。并且铝基复合材料和钛合金的熔点、导热系数、线膨胀系数等物理性能相差悬殊，可焊接性较差，如线膨胀系数不同导致结合面上出现热应力，由于冶金反应，在结合面上产生低熔点共晶或形成脆性金属间化合物；因扩散系数导致接头中形成扩散空洞；因电化学性能的不同，接头可能产生电化学腐蚀，所以采用传统的焊接方法很难实现可靠的连接。
目前，对于铝基复合材料与钛合金的连接主要集中在熔焊、采用中间层的固态扩散焊、钎焊等方法的研究，然而熔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；采用中间层的固态扩散焊与钎焊等方法均会因为中间层或钎料而引入其它化学成分，因此在对焊接件化学成分有严格要求时，这两种方法均无法满足要求。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法，包括以下步骤：
（1）将铝基复合材料与钛合金的待焊接表面进行预处理；
（2）以铝基复合材料在下、钛合金在上的形式放入焊接模具中，两者的待焊接表面紧密贴合；焊接模具的结构示意图如图1所示；
（3）将装有铝基复合材料与钛合金的焊接模具放入热压炉内，然后抽真空,升温至500℃～650℃后施加压力，压力值为5MPa～25MPa，并保温保压1h～3h，最后随炉冷却至室温，即完成高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的连接。
步骤（1）中所述的铝基复合材料为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料，由铝基体材料和SiC陶瓷颗粒增强相两部分组成，其中SiC陶瓷颗粒增强相所占的体积分数为60～70%，铝基体材料所占体积分数为30%～40%。
步骤（1）中所述的铝基体材料为Al6061，其成分：以重量百分比（%）计，铜Cu:0.15～0.4、锰、Mn:0.15、镁Mg:0.8～1.2、锌Zn:0.25、铬Cr:0.04～0.35、钛Ti:0.15、硅Si:0.4～0.8、铁Fe:0.7、铝Al:余量。
步骤（1）中所述的预处理为对铝基复合材料与钛合金的待焊接表面进行精加工抛光处理，然后放入清洗剂中超声清洗。
步骤（1）中所述的精加工抛光处理为对铝基复合材料与钛合金的待焊接表面采用砂轮在普通磨床上打磨抛光，使其表面粗糙度达到10μm；所述的清洗剂为乙醇；所述超声处理条件为在功率600W、频率60KHz时超声清洗20min。
步骤（1）中所述的铝基复合材料与钛合金尺寸为：直径60mm、厚度6mm。
步骤（1）中所述的钛合金为TC4钛合金,其化学成分：以重量百分比计，Fe≤0.30%、C≤0.10%、N≤0.05%、H≤0.015%、O≤0.20%、Al：5.5%～6.8%、V：3.5%～4.5%、其余为Ti。
步骤（3）中所述的真空度为1.3×10-2Pa，所述温度为560℃～600℃，所述升温速率为5℃/min，所述压力为10MPa～20MPa，保温保压时间为1.5h～2.5h。
步骤（3）中所述的热压炉为真空热压炉，其最大使用温度≥2400℃，最大成形压力50ton，有效加压区304mm×304mm×304mm，加压行程≥250mm，极限真空度1.3×10-4，主要用于粉末材料烧结、真空扩散焊接、热处理等。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
本发明采用无中间层的焊接方法，在不引入任何其它化学成分的前提下，于真空环境中仅通过加热加压实现了高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的高强度焊接。该法解决了铝基复合材料与钛合金焊接时，在界面处产生裂纹或断续微裂纹、焊接温度过高、接头强度很低、产生气孔或扩散空洞、引入其它化学成分的技术问题。本发明焊接界面的抗剪强度达到117.9Mpa，并且表面抛光处理后的铝基复合材料与钛合金之间界面的结合非常紧密，无缝隙存在，用7000倍的背散色观察到了两者之间存在过渡层，过渡层最大厚度达到了1.61μm，说明用此方法可以保证两者之间的界面呈现良好的结合状态。
附图说明
图1为焊接模具的结构示意图，其中1-凸模，2-凹模，3-底座，4-钛合金，5-铝基复合材料；各部分结构关系如下：底座（3）与凹模（2）是间隙配合，凹模（2）与凸模（1）是间隙配合，铝基复合材料（5）在下，钛合金（4）在上；
图2为高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金的焊接界面背散射图；其中，图中左侧为TC4钛合金，中间为焊接后的中间层，右侧为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；
图3为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金焊接界面断口的扫描电镜图，其中（a）为TC4钛合金侧界面断口的扫描电镜图，（b）为高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧界面断口的扫描电镜图；
图4为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金焊接界面断口的背散射图；其中（c）为TC4钛合金侧界面断口的背散射图，（d）为高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧界面断口的背散射图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法包括以下步骤：
一、对直径60mm、厚度6mm的高体积分数碳化硅颗粒（体积分数为65%）增强铝基复合材料与相同尺寸的TC4钛合金的待焊接表面进行预处理：对体积分数碳化硅颗粒（体积分数为65%）增强铝基复合材料与TC4钛合金的待焊接表面采用砂轮在普通磨床上打磨抛光，使其表面粗糙度达到10μm，然后放入乙醇中超声（功率600W、频率60KHz）清洗20min；
二、以高体积分数碳化硅颗粒（体积分数为65%）增强铝基复合材料在下、TC4钛合金在上的形式放入焊接模具中，两者的待焊接表面紧密贴合；焊接模具的结构示意图如图1所示，其中1-凸模，2-凹模，3-底座，4-钛合金，5-铝基复合材料；各部分结构关系如下：底座（3）与凹模（2）是间隙配合，凹模（2）与凸模（1）是间隙配合，铝基复合材料（5）在下，钛合金（4）在上；
三、将装有铝基复合材料与钛合金的焊接模具放入真空热压炉内，然后抽真空至真空度为1.3×10-2Pa，待升温至585℃（升温速率为5℃/min）后施加压力，压力值为15MPa，并保温保压2h，随后随炉冷却至室温，即完成铝基复合材料与钛合金的连接。铝基复合材料与钛合金的焊接界面结构表征如图2所示，铝基复合材料与钛合金的焊接界面断口结构表征如图3、图4所示。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点是：步骤一所述的高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料中SiC陶瓷颗粒增强相所占的体积分数为60%。其他步骤与参数与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点是：步骤一所述的高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料中SiC陶瓷颗粒增强相所占的体积分数为70%。其他步骤与参数与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的不同点是：步骤三所述的真空热压炉升温至560℃。其他步骤与参数与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的不同点是：步骤三所述的真空热压炉升温至600℃。其他步骤与参数与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的不同点是：步骤三所施加的压力为10MPa。其他步骤与参数与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的不同点是：步骤三所施加的压力为20MPa。其他步骤与参数与实施例1相同。
实施例8
本实施例与实施例1的不同点是：步骤三所述的保温保压时间为1.5h。其他步骤与参数与实施例1相同。
实施例9
本实施例与实施例1的不同点是：步骤三所述的保温保压时间为2.5h。其他步骤与参数与实施例1相同。
结构表征与性能测试
采用本实施方式连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金，铝基复合材料与TC4钛合金焊接后的界面形貌图如图2所示。图2为铝基复合材料与TC4钛合金焊接界面的背散色图（7000倍）。从图2中可以看出，表面抛光处理的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金之间界面的结合非常紧密，无缝隙存在。用7000倍的背散色观察到了两者之间存在过渡层，过渡层最大厚度达到了1.61μm；经过剪切实验，两者之间形成的界面抗剪强度最大达到117.9MPa，说明用此方法可以保证两者之间的界面呈现良好的结合状态。
高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金复合后再进行剪切试验，剪断后的断口扫描电镜和背散射如图3、图4所示。图3为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金焊接界面断口的扫描电镜图，其中（a）为TC4钛合金侧界面断口的扫描电镜图，（b）为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧界面断口的扫描电镜图。图4为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与TC4钛合金焊接界面断口的背散射图；其中（c）为TC4钛合金侧界面断口的背散射图，（d）为高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧界面断口的背散射图。
从图3（a）可以看出，在TC4钛合金侧发现断口呈现平整部分较多，韧窝较少；从图4（c）的TC4钛合金侧断口背散射图片中可以看到衬底呈现暗色，说明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料已经扩散到TC4钛合金侧，从整体看，扩散效果覆盖了整个表面，且一致性、均匀性较好。
从图3（b）中可以看出，在高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧发现断口呈现韧窝部分较多，没有观察到韧窝呈现缩颈现象，这与高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料是脆性性质是吻合的，另外还观察到高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧有色泽明亮的物质分布，说明TC4钛合金已经扩散到高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧；图4（d）的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料侧背散射照片中则没有观察到有色泽明亮的物质，这侧面再次证明了TC4钛合金扩散到高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料中。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将铝基复合材料与钛合金的待焊接表面进行预处理；
(2)以铝基复合材料在下、钛合金在上的形式放入焊接模具中，两者的待焊接表面紧密贴合；
(3)将装有铝基复合材料与钛合金的焊接模具放入热压炉内，然后抽真空，升温至560℃～600℃后施加压力，压力值为5MPa～25MPa，并保温保压1h～3h，最后随炉冷却至室温，即完成高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的连接；
步骤(1)中所述的铝基复合材料为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料，由铝基体材料和SiC陶瓷颗粒增强相两部分组成，其中SiC陶瓷颗粒增强相所占的体积分数为60～70％，铝基体材料所占体积分数为30％～40％；
步骤(1)中所述的铝基体材料为Al 6061，其成分：重量百分数比％，铜Cu：0.15～0.4、锰Mn：0.15、镁Mg：0.8～1.2、锌Zn：0.25、铬Cr：0.04～0.35、钛Ti：0.15、硅Si：0.4～0.8、铁Fe：0.7、铝Al：余量；
步骤(1)中所述的钛合金为TC4钛合金，其化学成分为：重量百分比，Fe≤0.30％、C≤0.10％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.20％、Al：5.5％～6.8％、V：3.5％～4.5％、其余为Ti。
2.根据权利要求1所述连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的预处理为对铝基复合材料与钛合金的待焊接表面进行精加工抛光处理，然后放入清洗剂中超声清洗。
3.根据权利要求2所述连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于：所述的精加工抛光处理为对铝基复合材料与钛合金的待焊接表面采用砂轮在普通磨床上打磨抛光，使其表面粗糙度达到10μm；所述的清洗剂为乙醇；所述超声清洗条件为在功率600W、频率60KHz时超声清洗20min。
4.根据权利要求1所述连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铝基复合材料与钛合金尺寸为：直径60mm、厚度6mm。
5.根据权利要求1所述连接高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金的方法，其特征在于：步骤(3)中的真空度为1.3×10-2Pa，升温速率为5℃/min，压力为10MPa～20MPa，保温保压时间为1.5h～2.5h。
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