專利名稱：一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展需求而涌現(xiàn)出的具有強(qiáng)大生命力的材料。鋁在制作復(fù)合材料上有許多特點，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌握，易于加工等。 此外，鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度和比剛度高，高溫性能好，更耐疲勞和更耐磨，阻尼性能好，熱膨脹系數(shù)低。同其他復(fù)合材料一樣，它能組合特定的力學(xué)和物理性能，以滿足產(chǎn)品的需要。因此，鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一。但是，增強(qiáng)相的引入，使得其焊接工藝過程變得相當(dāng)困難。目前鋁基復(fù)合材料的連接主要包括熔化焊、固相焊、釬焊三大類，而釬焊由于加熱時間短，焊接溫度低，對增強(qiáng)體不會造成大的損傷，且這種方法簡單易行，對焊件尺寸、形狀等有較大的自由度，因此被認(rèn)為是最有可能用于金屬基復(fù)合材料焊接的方法。但是，鋁本身釬焊性不良，加入高體積含量增強(qiáng)相后，母材的潤濕性和陶瓷相得連接成為釬焊鋁基復(fù)合材料最主要的問題。采用常規(guī)焊接鋁合金的Ai-Si系釬料和&1-A1系釬料焊接復(fù)合材料時，釬料-增強(qiáng)相之間的連接為弱連接，連接界面幾乎不發(fā)生反應(yīng)。所以，當(dāng)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)很大時，常規(guī)的Ai-Si系釬料或者ai-ΑΙ系釬料在復(fù)合材料表面的潤濕性不好，接頭的剪切強(qiáng)度不高，約為20 40MPa。另外由于復(fù)合材料基體材料Al熔點僅為660°C，在600°C就會發(fā)生過燒現(xiàn)象，所以，釬焊溫度在600°C以下時，很難實現(xiàn)釬料對復(fù)合材料良好潤濕、釬料和增強(qiáng)相的良好連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊釬料潤濕性不好，釬焊接頭強(qiáng)度低的問題，提供一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法。本發(fā)明高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，按以下步驟進(jìn)行一、對待焊面進(jìn)行處理將Al-Si-Mg釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的待焊面用砂紙打磨，然后將釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料浸入丙酮中超聲波清洗10 20min， 晾干；二、濺射沉積Ti活性層將步驟一處理后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空磁控濺射設(shè)備中，濺射沉積厚度為500nm 2 μ m的Ti活性層；三、真空釬焊將濺射沉積Ti活性層之后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空釬焊爐中，采用Al-Si-Mg 釬料，以10 20°C /min的速度，升溫到550 600°C，保溫5 30min，再以15°C /min的速度降溫到300°C后，隨爐冷卻至室溫，即完成高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。本發(fā)明采用Ti作為釬焊接頭的活性層，采用Al-Si-Mg作為釬料，在升溫過程中 Al-Si-Mg熔化后，Al和Si元素與活性層中的Ti元素反應(yīng)生成化合物，形成反應(yīng)層，并且釬料中的Si元素也擴(kuò)散到母材的鋁合金基體當(dāng)中形成Al-Si共晶組織。其中，Ti活性層可以改善釬料在母材的潤濕性，釬料在母材(鋁基復(fù)合材料)表面的潤濕性好，釬料與增強(qiáng)相能夠形成有效連接；并且釬料中的Al、Si元素與活性層中的Ti元素反應(yīng)生成針狀的Ti (Al，Si)化合物，化合物的針狀結(jié)構(gòu)有益于提高接頭的剪切強(qiáng)度，接頭的剪切強(qiáng)度達(dá) 60 90MPa，濺射沉積Ti活性層后的接頭剪切強(qiáng)度比相同工藝參數(shù)下未濺射沉積Ti活性層的接頭提高了 5 8倍。本發(fā)明在600°C以下即可實現(xiàn)釬料對復(fù)合材料的良好潤濕及釬料和增強(qiáng)相的良好連接。


圖1為具體實施方式
十八中Al-llSi_2Mg釬料在濺射沉積Ti活性層的鋁基復(fù)合材料表面的潤濕性照片；圖2為具體實施方式
十八中Al-IlSi-2Mg釬料在未濺射沉積Ti活性層的鋁基復(fù)合材料表面的潤濕性照片；圖3為具體實施方式
十八得到的連接接頭掃描電鏡照片；圖4為圖3中A處的放大圖；圖5為具體實施方式
十八中使用未濺射沉積Ti活性層的鋁基復(fù)合材料得到的連接接頭掃描電鏡照片。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，按以下步驟進(jìn)行一、對待焊面進(jìn)行處理將Al-Si-Mg釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的待焊面用砂紙打磨，然后將釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料浸入丙酮中超聲波清洗10 20min，晾干；二、濺射沉積Ti活性層將步驟一處理后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空磁控濺射設(shè)備中，濺射沉積厚度為500nm 2 μ m的Ti活性層； 三、真空釬焊將濺射沉積Ti活性層之后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空釬焊爐中，采用Al-Si-Mg釬料，以10 20°C /min的速度，升溫到550 600°C，保溫5 30min，再以15°C /min的速度降溫到300°C后，隨爐冷卻至室溫，即完成高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。本實施方式所述高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是指陶瓷增強(qiáng)體的體積百分比含量高于35%的鋁基復(fù)合材料。本實施方式中Ti活性層可以改善釬料在母材的潤濕性，釬料在母材(鋁基復(fù)合材料)表面的潤濕性好，釬料與增強(qiáng)相能夠形成有效連接；并且釬料中的Al、Si元素與活性層中的Ti元素反應(yīng)生成針狀的Ti (Al，Si)化合物，化合物的針狀結(jié)構(gòu)有益于提高接頭的剪切強(qiáng)度，接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)60 90MPa，濺射沉積Ti活性層后的接頭剪切強(qiáng)度比相同工藝參數(shù)下未濺射沉積Ti活性層的接頭提高了 5 8倍。本實施方式在600°C以下即可實現(xiàn)釬料對復(fù)合材料的良好潤濕及釬料和增強(qiáng)相的良好連接。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中超聲波清洗 IOmin0其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中超聲波清洗 20min。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中超聲波清洗 15min。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中濺射沉積厚度為500nm的Ti活性層。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中濺射沉積厚度為2μπι的Ti活性層。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中濺射沉積厚度為600nm 1.5μπι的Ti活性層。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中濺射沉積厚度為SOOnm 1.2μπι的Ti活性層。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中濺射沉積厚度為Iym的Ti活性層。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟三中以 IO0C /min的速度升溫。其它與具體實施方式
一至九之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟三中以20°C /min的速度升溫。其它與具體實施方式
一至九之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟三中以15°C /min的速度升溫。其它與具體實施方式
一至九之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十二之一不同的是步驟三中升溫到550°C。其它與具體實施方式
一至十二之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一至十二之一不同的是步驟三中升溫到600°C。其它與具體實施方式
一至十二之一相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一至十二之一不同的是步驟三中升溫到570°C。其它與具體實施方式
一至十二之一相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一至十五之一不同的是步驟三中保溫10 20min。其它與具體實施方式
一至十五之一相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
一至十五之一不同的是步驟三中保溫15min。其它與具體實施方式
一至十五之一相同。
具體實施方式
十八本實施方式高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法， 按以下步驟進(jìn)行一、對待焊面進(jìn)行處理將Al-llSi-2Mg釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的待焊面用砂紙打磨，然后將釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料浸入丙酮中超聲波清洗15min，晾干；二、濺射沉積Ti活性層將步驟一處理后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空磁控濺射設(shè)備中，濺射沉積厚度為1 μ m的Ti活性層；三、真空釬焊將濺射沉積Ti活性層之后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空釬焊爐中，采用Al-IlSi-2Mg釬料，以15°C /min的速度，升溫到570°C，保溫15min，再以15°C /min的速度降溫到300°C后，隨爐冷卻至室溫，即完成高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。本實施方式獲得釬焊接頭的剪切強(qiáng)度為83. 96MPa，本實施方式Al_llSi_2Mg釬料在濺射沉積Ti活性層的鋁基復(fù)合材料表面的潤濕性照片如圖1所示，Al-llSi-2Mg釬料在未濺射沉積Ti活性層的鋁基復(fù)合材料表面的潤濕性照片如圖2所示。由圖1和圖2可以看出，釬料在濺射沉積Ti活性層的母材表面的潤濕性較好，說明Ti活性層可以改善釬料在母材的潤濕性。
本實施方式方法得到的連接接頭掃描電鏡照片如圖3所示，圖4為圖3中A處的放大圖。使用未濺射沉積Ti活性層的鋁基復(fù)合材料(其他工藝參數(shù)與本實施方式相同) 得到的連接接頭掃描電鏡照片如圖5所示。由圖5可看出，當(dāng)鋁基復(fù)合材料表面未濺射Ti活性層時，釬焊接頭中釬料與母材之間有明顯的空隙，大部分區(qū)域釬料與母材沒有連接，也未發(fā)生擴(kuò)散和反應(yīng)，釬焊接頭結(jié)合非常不理想。在同樣工藝參數(shù)下濺射沉積Ti活性層后再釬焊(如圖幻，界面結(jié)合良好，釬料與母材連接緊密，有明顯的反應(yīng)層，釬焊接頭中沒有明顯缺陷。從圖4的濺射沉積Ti活性后的釬焊界面放大照片可以看出，在反應(yīng)層當(dāng)中，有針狀Ti-Al-Si三元化合物生成，這些化合物貫穿反應(yīng)層插入母材當(dāng)中，起到釘扎作用，從而提高了接頭強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，按以下步驟進(jìn)行一、對待焊面進(jìn)行處理將Al-Si-Mg釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的待焊面用砂紙打磨，然后將釬料和高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料浸入丙酮中超聲波清洗10 20min，晾干；二、濺射沉積Ti活性層將步驟一處理后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空磁控濺射設(shè)備中，濺射沉積厚度為 500nm 2 μ m的Ti活性層；三、真空釬焊將濺射沉積Ti活性層之后的高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料置于真空釬焊爐中，采用Al-Si-Mg釬料，以10 20°C /min的速度，升溫到 550 600°C，保溫5 30min，再以15°C /min的速度降溫到300°C后，隨爐冷卻至室溫，即完成高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟一中超聲波清洗15min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟二中濺射沉積厚度為500nm的Ti活性層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟二中濺射沉積厚度為2 μ m的Ti活性層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟二中濺射沉積厚度為600nm 1. 5 μ m的Ti活性層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟二中濺射沉積厚度為1 μ m的Ti活性層。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟三中以15°C /min的速度升溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟三中升溫到570°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于步驟三中保溫10 20min。
全文摘要
一種高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法，涉及一種陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊釬料潤濕性不好，釬焊接頭強(qiáng)度低的問題。方法一、對待焊面進(jìn)行處理；二、濺射沉積Ti活性層；三、真空釬焊，隨爐冷卻至室溫，即完成高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。本發(fā)明釬料在母材表面的潤濕性好，釬料與增強(qiáng)相能夠形成有效連接，接頭的剪切強(qiáng)度高。應(yīng)用于陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料焊接領(lǐng)域。
文檔編號B23K1/20GK102350553SQ201110179638
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者何鵬, 林鐵松, 王百慧 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)