專利名稱：用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料的制備方法，具體地說是一種焊接材料的制備方法。本發(fā)明還涉及這種制備方法的專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有比強度、比剛度高、抗蠕變、熱膨脹系數(shù)小、高溫性能好等優(yōu)良特性。隨著制備工藝地不斷改進(jìn)，該種材料的成本大大降低，其在航空航天、國防領(lǐng)域，如導(dǎo)彈、坦克、裝甲車等，以及民用工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景，如汽車發(fā)動機(jī)活塞、連桿剎車器和自行車零部件等。然而，由于該種復(fù)合材料中的增強相顆粒與基體合金的成分、結(jié)構(gòu)和性能相差都很大，通常它們之間的物理、化學(xué)相容性較差，導(dǎo)致該種材料具有較差的焊接性。焊接成為了該種材料在結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用、逐步走向?qū)嵱没膰?yán)重障礙。
顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的關(guān)鍵之一是接頭中最終能形成帶增強相的復(fù)合焊縫，使接頭的組織結(jié)構(gòu)與母材的近似而達(dá)到綜合性能與其保持一致的目的。在鋁基復(fù)合材料眾多的焊接方法中，固相焊接方法(如擴(kuò)散焊、瞬間液相焊等)避免了復(fù)合材料的熔化，還可將焊接溫度控制在基體與增強相不發(fā)生反應(yīng)的范圍內(nèi)，被認(rèn)為是較適合于焊接鋁基復(fù)合材料的方法。然而，這些方法采用常規(guī)的合金或純金屬填充焊料，要實現(xiàn)增強相向焊縫中過渡并在其中均勻分布以形成復(fù)合焊縫這樣一個過程非常困難。如果在焊料中摻入增強相，即采用帶增強相的復(fù)合焊料就應(yīng)更容易實現(xiàn)這一目的。因而，有必要制備流動性、潤濕性好，能抑制不利的冶金反應(yīng)，強化焊縫的復(fù)合專用填充材料其中包括特殊釬料。
帶增強相的復(fù)合焊料的制備一般都參照鋁基復(fù)合材料的制備方法。目前鋁基復(fù)合材料常用的制備方法有擠壓鑄造、粉末冶金、噴射沉積、原位復(fù)合、攪拌鑄造及高能超聲復(fù)合法。擠壓鑄造法制備的復(fù)合材料一般體積分?jǐn)?shù)都比較高(大于20％)，該方法制備出的低體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料(小于10％)性能不太穩(wěn)定；粉末冶金適合于制備低體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料，但工藝過程比較復(fù)雜，制備的復(fù)合材料孔隙率大，塑性差；噴射沉積法工藝簡單、凝固迅速、無界面反應(yīng)，所得材料耐磨性好，但材料中增強相與基體屬機(jī)械結(jié)合，拉伸強度有限，空洞率也比較高，不適于近凈成型；原位復(fù)合法主要是利用金屬凝固過程中相變規(guī)律在材料中形成具有一定方向性排列的第二相粒子，達(dá)到增強的目的，這種材料各項異性，其制備過程一般要用定向凝固，因而制造工藝較為復(fù)雜；攪拌鑄造法以其工藝、設(shè)備簡單，適應(yīng)性強，生產(chǎn)率高而倍受人們青睞，也比較適于制備各種體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料，其主要問題是不能徹底解決增強相/基體的潤濕問題而引起增強相微觀偏聚，影響了添加增強相的速度和復(fù)合材料的最終性能。高能超聲復(fù)合法能夠在極短的時間一次同時實現(xiàn)增強體在基體中的潤濕與分散，并能完成除氣、除渣的任務(wù)，是一種工藝簡便、成本低廉的制備方法，尤其是在極細(xì)顆粒增強復(fù)合材料的研制領(lǐng)域它還有著獨特的優(yōu)勢，但超聲波變幅桿必須接觸金屬液，長時間工作變幅桿端部腐蝕和損耗嚴(yán)重，造成基體合金污染。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高復(fù)合焊料的制備效率，克服增強相/基體的潤濕不徹底及增強相微觀偏聚的問題，優(yōu)化基體合金凝固組織，以避免復(fù)合焊料中的界面缺陷引入到鋁基復(fù)合材料焊縫中、嚴(yán)重影響接頭性能的用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制備方法。本發(fā)明的目的還在于提供這種制備方法的專用設(shè)備。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制備裝置的組成包括抽真空系統(tǒng)、加熱溫控器、機(jī)械攪拌裝置和超聲振動裝置，坩堝放置在設(shè)置有抽真空系統(tǒng)的殼體中，坩堝外帶有高頻感應(yīng)加熱線圈，高頻感應(yīng)加熱線圈與加熱控制器相連，坩堝中設(shè)置有機(jī)械攪拌裝置，機(jī)械攪拌裝置的傳動桿伸出殼體并與電機(jī)相連，殼體下部帶有超聲振動裝置，殼體上連接有保護(hù)氣體充入管和放氣管。
本發(fā)明的制備方法為將清潔的基體合金放置入坩堝中，啟動抽真空裝置的真空泵、抽真空至5×10-5乇，然后在真空系統(tǒng)內(nèi)充入保護(hù)氣體，將合金加熱，控制加熱溫度下限高于基體合金的液相線，上限低于液相線+100～125℃，進(jìn)行熔化，待合金全部熔化后解除真空，對合金液進(jìn)行除渣處理，按所需體積分?jǐn)?shù)，加入清潔的增強相顆粒，抽真空后充保護(hù)氣體，啟動機(jī)械攪拌裝置進(jìn)行攪拌，同時啟動超聲波振動裝置從坩堝底部導(dǎo)入超聲波振動，待攪拌及超聲波振動停止后，將復(fù)合焊料合金液進(jìn)行除渣處理后隨爐冷卻制成復(fù)合焊料鑄錠。
本發(fā)明的方法還可以包括1、所述的攪拌的轉(zhuǎn)速為500-1500r/min，時間為5-50min。
2、所述的超聲波振動的頻率為15-28KHz，振幅為10-30μm，超聲振動時間為5-20min。
3、所述的保護(hù)氣體是Ar或N2。
4、制備成的復(fù)合焊料鑄錠經(jīng)過拉拔等工藝后可加工成棒狀或絲狀，方便于焊接使用。
本發(fā)明技術(shù)主要的優(yōu)點為1、超聲波聲導(dǎo)桿不直接接觸金屬液，避免了變幅桿由于與高溫金屬液接觸造成的腐蝕和損耗，以及由此造成金屬液污染、夾雜。
2、解決了增強相顆粒與基體合金的潤濕問題，避免了顆粒/基體缺陷界面及顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。
3、超聲波振動既可有效改善增強相的分布和基體的凝固組織形態(tài)，也可有效去除復(fù)合焊料熔體中的氣體，避免氣孔殘留。
機(jī)械攪拌與超聲振動攪拌的復(fù)合加強了增強相與基體合金的混合，由此可加快增強相的添加速度，提高制備效率；所能制備的復(fù)合焊料的增強相顆粒尺寸、體積分?jǐn)?shù)范圍擴(kuò)大，顆粒尺寸可以從納米級至微米級(平均粒度0.01～50μm)，體積分?jǐn)?shù)可以從0～30％。


附圖是本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面舉例對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述結(jié)合附圖，本發(fā)明的用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制備方法的專用設(shè)備的組成包括抽真空裝置1、加熱溫控器2、機(jī)械攪拌裝置3和超聲振動裝置4，坩堝5放置在設(shè)置有抽真空裝置的殼體6中，坩堝外帶有高頻感應(yīng)加熱線圈7，高頻感應(yīng)加熱線圈與加熱控制器2相連，坩堝中設(shè)置有機(jī)械攪拌裝置，機(jī)械攪拌裝置的傳動桿伸出殼體并與電機(jī)8相連，殼體下部帶有超聲振動裝置4，殼體上連接有保護(hù)氣體充入管9和放氣管10。
本發(fā)明的方法是采用本發(fā)明的設(shè)備來完成的具體方法為將所有熔煉工具徹底清除干凈，并及時涂上涂料，盡可能防止雜質(zhì)進(jìn)入所制備的復(fù)合材料中。對增強相顆粒及復(fù)合材料基體合金進(jìn)行清潔處理，將經(jīng)預(yù)處理的基體合金放置入坩堝中，啟動真空泵抽真空至5×10-5乇，然后在真空系統(tǒng)內(nèi)充入Ar氣或者N2氣。啟動加熱系統(tǒng)對合金在一定溫度下(加熱溫度下限高于基體合金的液相線，上限低于液相線+100～125℃)進(jìn)行熔化，待合金全部熔化后解除真空，對合金液進(jìn)行除渣處理。按所需體積分?jǐn)?shù)，加入經(jīng)預(yù)處理的增強相顆粒，抽真空后充Ar氣或者N2氣保護(hù)。啟動電機(jī)將非鐵質(zhì)攪拌桿放入到坩堝熔體中進(jìn)行攪拌，攪拌的轉(zhuǎn)速為500-1500r/min，時間為5-50min，同時啟動超聲波振動系統(tǒng)從坩堝底部導(dǎo)入超聲波振動，超聲波振動的頻率為15-28KHz，振幅為10-30μm，超聲振動時間為5-20min。待攪拌及超聲波振動停止后，將復(fù)合焊料合金液進(jìn)行除渣處理后隨爐冷卻。制備成的復(fù)合焊料鑄錠經(jīng)過拉拔等工藝后可加工成棒狀或絲狀，方便于焊接使用。
以制備10％SiCp/Zn-Al復(fù)合焊料為例將所有熔煉工具徹底清除干凈，并及時涂上ZnO涂料。對平均直徑為12.6μm的SiC增強相顆粒及Zn-Al基體合金(Cu3.22％、Mg0.82％、Mn0.91％、Fe0.01％、Si0.81％、Zn89.3％、Ni0.05％、Al4.2％、余量為雜質(zhì))進(jìn)行清潔處理，將經(jīng)預(yù)處理的基體合金放置入坩堝中，啟動真空泵抽真空至5×10-5乇，然后在真空系統(tǒng)內(nèi)充入Ar氣。啟動加熱系統(tǒng)對合金在500℃下進(jìn)行熔化，待合金全部熔化后解除真空，對合金液進(jìn)行除渣處理。加入體積分?jǐn)?shù)為10％經(jīng)預(yù)處理的SiC顆粒，抽真空后充氣Ar氣保護(hù)。啟動電機(jī)將非鐵質(zhì)攪拌桿放入到坩堝熔體中進(jìn)行攪拌，攪拌的轉(zhuǎn)速為800r/min，時間為30min，同時啟動超聲波振動系統(tǒng)從坩堝底部導(dǎo)入連續(xù)的超聲波振動，超聲波振動的頻率為20KHz，振幅為15μm，超聲振動時間為10min。待攪拌及超聲波振動停止后，將復(fù)合焊料合金液進(jìn)行除渣處理后隨爐冷卻。制備成的10％SiCp/Zn-Al復(fù)合焊料鑄錠經(jīng)過拉拔等工藝后可加工成棒狀，方便于焊接使用。
所制備的復(fù)合焊料的增強相顆粒是B4C、SiC、SiO2、Al2O3、TiC、TiB2、AlN、TiN、ZrO2(平均粒度0.01～50μm，體積分?jǐn)?shù)5～30％)顆粒中的一種；所制備的復(fù)合焊料的基體合金是Zn基焊料Zn-Al-Cu(Cu3.22％、Mg0.82％、Mn0.91％、Fe0.01％、Si0.81％、Zn89.3％、Ni0.05％、Al4.2％、余量為雜質(zhì))、PTZn95Al、PTZn90Al、PTZn70Al、Zn72.5Al、Zn60Cd、Zn58SnCu或者鋁基焊料HLAlSi10、HLAlSi12、HLAlSiCu10、Al12SiSrLa、HL403、HL401、B62、Al60GeSi、HlAlSiMg7.5-1.5、HLAlSiMg10-1.5或HLAlSiMg12-1.5中的一種；加入增強相后，施加的超聲波振動可以是連續(xù)的，也可以是間斷的；復(fù)合焊料合金液進(jìn)行除渣處理后可以隨爐冷卻，也可澆注成鑄錠。若是采用隨爐冷卻方式，在基體合金的固液相線區(qū)間還可以施加超聲波振動，超聲波振動的頻率為15-28KHz，振幅為10-30μm，超聲振動時間為5-20min，施加的超聲波振動可以是連續(xù)的，也可以是間斷的；以改善基體金屬的凝固組織形態(tài)，達(dá)到細(xì)化的作用。
權(quán)利要求
1.一種用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法，其特征是將清潔的基體合金放置入坩堝中，啟動抽真空裝置的真空泵、抽真空至5×10-5乇，然后在真空系統(tǒng)內(nèi)充入保護(hù)氣體，將合金加熱，控制加熱溫度下限高于基體合金的液相線，上限低于液相線+100～125℃，進(jìn)行熔化，待合金全部熔化后解除真空，對合金液進(jìn)行除渣處理，按所需體積分?jǐn)?shù)，加入清潔的增強相顆粒，抽真空后充保護(hù)氣體，啟動機(jī)械攪拌裝置進(jìn)行攪拌，同時啟動超聲波振動裝置從坩堝底部導(dǎo)入超聲波振動，待攪拌及超聲波振動停止后，將復(fù)合焊料合金液進(jìn)行除渣處理后隨爐冷卻制成復(fù)合焊料鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法，其特征是所述的攪拌的轉(zhuǎn)速為500-1500r/min，時間為5-50min。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法，其特征是所述的超聲波振動的頻率為15-28KHz，振幅為10-30μm，超聲振動時間為5-20min。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法，其特征是所述的保護(hù)氣體是Ar或N2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法，其特征是制備成的復(fù)合焊料鑄錠經(jīng)過拉拔等工藝后加工成棒狀或絲狀，。
6.一種用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法的專用設(shè)備，其特征是它包括抽真空系統(tǒng)、加熱溫控器、機(jī)械攪拌裝置和超聲振動裝置，坩堝放置在設(shè)置有抽真空系統(tǒng)的殼體中，坩堝外帶有高頻感應(yīng)加熱線圈，高頻感應(yīng)加熱線圈與加熱控制器相連，坩堝中設(shè)置有機(jī)械攪拌裝置，機(jī)械攪拌裝置的傳動桿伸出殼體并與電機(jī)相連，殼體下部帶有超聲振動裝置，殼體上連接有保護(hù)氣體充入管和放氣管。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料焊接的復(fù)合焊料的制法及其設(shè)備。將清潔的基體合金放置入坩堝中，啟動抽真空裝置的真空泵、抽真空至5×10
文檔編號B22D27/00GK1827809SQ200610009848
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者許志武, 張洋, 許惠斌, 劉巾娜, 閆久春, 楊士勤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)