CN1654155A - 一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料连接方法 - Google Patents

一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料连接方法 Download PDF

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万云
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Abstract

一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料连接方法，特别涉及到SiCp/Al复合材料的瞬时液相扩散连接技术。本发明采用Al、Ag、Cu、Ti单质混合粉末作为中间夹层，利用Al－Ag－Cu之间的三元共晶反应形成液相，并经过一定时间的成分扩散均匀化处理实现试样间的冶金结合。其工艺过程为：配制中间夹层→待连接母材表面预处理→用无水酒精将混合粉末调制成浆料并将其预置在待连接母材表面→在真空炉中经过一定下温度的保温→随炉冷至室温。本发明不仅避开了高温熔化焊接SiCp/Al复合材料时所面临的困难，而且和现有的瞬时液相扩散连接相比具有可连接结构复杂的SiCp/Al复合材料、连接温度低、对母材损害小、对被连接母材的表面预处理要求不高等特点。

Description

一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料连接方法
技术领域
本发明属于材料连接技术的范畴，特别涉及到碳化硅颗粒增强铝基复合材料瞬时液相扩散连接技术。
背景技术
SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)具有优异的物理和力学性能，如高比强度、高比模量、低膨胀系数、耐磨、耐高温、良好的热稳定性等，在航空航天、汽车、电子、医学等领域具有极高的应用价值，是空间技术领域中理想的结构材料。
随着SiCp/Al复合材料的应用和推广，其本身或者与其他材料的连接问题也越来越受到人们的关注。目前，有关SiCp/Al复合材料的连接国内外虽有一些研究，但主要集中在沿用铝及铝合金的连接方法上，几乎所有铝及铝合金的连接方法都先后被研究用于由于SiCp/Al复合材料的连接，如氩弧焊、电子束焊、激光焊、扩散焊和钎焊等。研究表明，由于材料组成和组织结构的特殊性，SiCp/Al复合材料连接远比铝及铝合金困难得多。在1999哈尔滨工业大学学报第2期130-133页中介绍到，采用高温熔化焊连接SiCp/Al复合材料连的主要问题是：(1)焊接熔池中增强相(SiC)与基体金属(Al)发生反应生成脆性化合物(Al3C4)，严重影响焊缝与母材的力学性能；(2)由于含有高熔点SiC增强相，熔焊时熔池粘度高、流动性差，从而导致焊接操作困难，焊缝成形差，且容易产生夹渣、气孔和SiCp偏聚等缺陷。在1997，76：92 Welding Journal中指出，用钎焊的方式对SiCp/Al复合材料进行连接也难以获得令人满意的结果，其主要原因为：(1)钎焊由于钎料性能的限制，其接头强度较低；(2)钎料及钎焊试样表面上的Al2O3氧化膜严重影响钎料在母材表面的润湿与铺展。2002年7月第32卷第3期“颗粒增强铝基复合材料扩散连接研究进展”中叙述了直接固相扩散焊作为固相连接方法可一定程度上克服熔化焊存在的问题，但固相扩散连接铝基复合材料需在较高的温度和施加很大压力的条件下完成，这不可避免地会引起被连接件产生过量的塑性变形。目前，SiCp/Al复合材料比较有效的连接方式是瞬时液相扩散连接，该方法利用中间夹层与母材间的共晶反应在连接过程中形成液相并同时破坏试样表面氧化膜而实现连接。但现在有关SiCp/Al复合材料的反应扩散连接仍局限于套用铝及铝合金的反应扩散连接方法——以Cu、Ag等金属箔片作为中间反应夹层。然而，金属箔片作为中间反应夹层在连接结构方面存在局限性，不利于对复杂构件进行连接，并且Al-Cu、Al-Ag较高的共晶反应温度(Al-Cu共晶温度548℃和Al-Ag共晶温度566℃)亦容易损伤母材，所以用Cu、Ag金属箔片作为中间反应夹层反应扩散连接SiCp/Al复合材料仍然存在诸多问题。
发明内容
本发明是以一定配比的Al、Ag、Cu和Ti的单质混合粉末作为中间夹层对SiCp/Al复合材料进行瞬时液相扩散连接。材料连接过程中利用Al-Ag-Cu之间的三元共晶反应形成液相，并经过一定时间的成份扩散均匀化处理实现试样间的冶金结合。本发明不仅避开了高温熔化焊接SiCp/Al复合材料时所面临的困难，而且和现有的SiCp/Al复合材料瞬时液相扩散连接工艺相比具有可连接复杂的构件、连接温度低、对母材损害小、对被连接母材的表面预处理要求不高等特点。
本发明的具体步骤是：
1、将Al、Ag、Cu、Ti单质粉末混合，作为中间夹层，混合粉末的质量百分比为：Al粉37～40％，Ag粉38～41％，Cu粉17～20％，Ti粉0.5％～3％；
2、将试样待连接表面打磨平整，然后用150#砂纸去除氧化膜，再依次用NaOH溶液、蒸馏水、丙酮、无水乙醇进行清洗；
3、用无水酒精将按指定成分混合好的粉末调制成浆料并搅拌均匀；
4、将配制好的混合粉末浆料均匀涂布在待连接试样表面上；
5、将待连接试样放置在特定夹具中，并对其施加压力1Mpa～10Mpa；
6、在真空炉内对SiCp/Al复合材料进行连接，真空度3～6×10-3pa，加热速度10～20K/min，在500～540℃下保温15～60分钟，之后随炉冷却至室温。
与现有的瞬时液相扩散连接相比，用本发明方法对SiCp/Al复合材料进行连接具有以下优点：
1、混合粉末作为中间层突破了金属箔片作为中间反应夹层在连接结构方面存在的局限性，可以对结构复杂的SiCp/Al复合材料进行有效的连接；
2、反应温度(Al-Ag-Cu共晶温度500℃)低于绝大部分铝合金的固相线，对被连接母材的影响较小；
3、表面活性元素Ti的加入可以有效的改善液相与SiCp/Al复合材料的润湿性，大大降低了母材表面Al2O3膜对连接的不良影响。
附图说明
图1：用Al-Ag-Cu-Ti为中间层对SiCp/Al复合材料反应扩散连接的连接接头整体形貌照片。
图2：用Al-Ag-Cu-Ti为中间层对SiCp/Al复合材料反应扩散连接的连接区与被连接母材的连接界面照片。
从图1用Al-Ag-Cu-Ti为中间层对SiCp/Al复合材料反应扩散连接的连接接头整体形貌照片中可以看到连接区均匀、致密。从图2用Al-Ag-Cu-Ti为中间层对SiCp/Al复合材料反应扩散连接的连接区与被连接母材的连接界面结构照片中未发现任何不良结合，连接层和母材之间实现了良好的冶金结合。
具体实施方式
表1给出了本发明的几个优选实施例：
    优选实施例   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   实施例6   实施例7
    末中夹间层混成合份粉   Al质量百分数(％)     39     39     39     39     39     39     38
  Ag质量百分数(％)     40     40     41     41     41     41     41
  Cu质量百分数(％)     19     19     17     17     17     17     17
  Ti质量百分数(％)     1     1     2     2     2     2     3
    真空度(MPa)     3×10-3     3×10-3     3×10-3     3×10-3     3×10-3     3×10-3     3×10-3
    加热速度(K/min)     10     10     10     10     10     10     10
    连接温度(℃)     520     540     520     520     540     540     540
    连接保温时间(min)     60     60     30     60     30     60     60
    连接压力(Mpa)     1.5     1.5     1.5     1.5     1.5     1.5     1.5
    接头剪切强度(Mpa)     40.3     94.53     37.8     36.35     41.08     101     71.10
综上所述，以及从附图中可知，用Al-Ag-Cu-Ti为中间层对SiCp/Al复合材料反应扩散连接可以形成均匀、致密且力学性能良好的连接接头。

Claims (1)

1、一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料连接方法，其特征在于：
1)Al、Ag、Cu、Ti单质粉末混合，作为中间夹层，混合粉末的质量百分比为：Al粉37～40％，Ag粉38～41％，Cu粉17～20％，Ti粉0.5％～3％；
2)将试样待连接表面打磨平整，然后用1 50#砂纸去除氧化膜，再依次用NaOH溶液、蒸馏水、丙酮、无水乙醇进行清洗；
3)无水酒精将按指定成分混合好的粉末调制成浆料并搅拌均匀；
4)将配制好的混合粉末浆料均匀涂布在待连接试样表面上；
5)将待连接试样放置在特定夹具中，并对其施加压力1Mpa～10Mpa；
6)在真空炉内对SiCp/Al复合材料进行连接，真空度3～6×10-3Pa，加热速度10～20K/min，在500～540℃下保温15～60分钟，之后随炉冷却至室温。
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