铝基复合材料瞬间液相扩散连接

【摘要】：颗粒增强型铝基复合材料具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、耐磨 损、各向同性等特性，且制造方法简单、制造成本低，在航空航天、军工、汽 车、运动商品、电子等领域获得应用。随着其产品的商品化，应用范围将进一 步扩大，随之而来的焊（连）接便成为急待解决的问题。近年来的研究结果显 示，瞬间液相扩散连接（TLP 连接）是较为有效的连接方法之一。本文以氧化 铝陶瓷颗粒增强型铝基复合材料（19.4vol-%Al2O3P/6061Al）为研究对象，细 致地分析了 TLP 连接接头形成过程，系统地研究了用不同材料（纯 Cu、纯 Ag、纯 Ni、Al-Si 合金、Al-Cu 合金及 Al 和 Cu 的复合层）作为中间层时接头 的显微结构特点、力学性能及其断裂特点和连接工艺对接头组织与力学性能的 影响规律。 TLP 连接接头形成过程研究以分析该过程中不同阶段的接头显微结构为 主，并结合热分析技术（差式扫描量热法）确定中间层溶解温度。这里，选用 25μmCu 厚的纯 Cu 箔作为中间层，试样装配时拧紧扭矩为 1.96N?m。结果表 明，其接头形成过程由塑性变形与固相扩散（第一阶段）、中间层及母材溶解 （第二阶段）、等温凝固（第三阶段）和固相均匀化（第四阶段）组成。在第 一阶段，中间层厚度减小，中间层与母材紧密接触，且在紧密接触处发生溶质 原子互扩散，这有利于液相形成。在第二阶段，中间层溶解在 545℃～550℃ 温度范围内进行（升温速度 5℃/min），母材继续溶解使液相区宽度逐渐增加、 液相含 Cu 量逐渐降低。因此，可通过液相区宽度和化学成分确定在一定温度 条件下第二阶段完成。从增强相颗粒分布来看，在该阶段是均匀分布的，分析 认为原因在于液相与 Al2O3颗粒密度相近，液相区中 Al2O3颗粒再分布需要一 定时间。在第三阶段，液相区宽度逐渐减小至零，增强相偏聚于接头中心；第 四阶段，接头成分逐渐均匀。试样装配时拧紧扭矩达到 4.9N?m，第二、三阶 段变化较大。中间层溶解完成时液相区宽度降低，液相区宽度在随后的升温阶 i WP=92 吉林大学博士学位论文 段基本保持不变，并在保温过程中继续减少，直至等温凝固完成。因此，已难 以借助液相区宽度区分这两阶段。同时，由于等温凝固开始时液相区宽度降低， 等温凝固完成时间将大大缩短，接头成分分布更加均匀。进一步观察高装配压 力下接头发现，在第二阶段固/液界面存在一个溶质原子浓度过渡区，这可能 是由于溶质原子在液相与固相中存在浓度梯度造成的。 用纯金属（Cu、Ag、Ni）作中间层，在连接温度高于共晶温度条件下， 接头具有相似的显微结构、相近的接头抗剪强度、相同的断裂部位。接头由增 强相偏聚区（P 区）、增强相贫化区（D 区）和母材区组成。P 区和 D 区主要 由 α-Al 和 Al2O3颗粒构成。区别在于：P 区中 Al2O3颗粒体积分数高（＞40%）、 尺寸较小；D 区中 Al2O3颗粒体积分数较少、多为大尺寸，且多分布于晶界， α-Al 多为粗大晶粒。焊态下接头抗剪强度相近（80MPa～100MPa），接头剪切 断裂均在 P 区。提高试样装配压力，可减小 D 区、增大增强相偏聚，但接头 力学性能无明显变化。 纯金属中间层时接头显微结构特点主要取决于其形成过程。等温凝固时， 由于铝合金液相对 Al2O3 颗粒不润湿且固/液界面移动速度低于其俘获 Al2O3 颗粒所需临界速度（VC），固/液界面对 Al2O3 颗粒的作用是排斥，Al2O3 颗粒 偏聚于接头最后结晶区域，导致 P 区和 D 区形成。从 VC表达式可知，它与增 强相颗粒半径成反比。也就是说，小直径的 Al2O3 颗粒容易被固/液界面推至 最后凝固的液相中，大直径的 Al2O3颗粒则易存在于等温凝固的组织中。这是 P 区多为小尺寸 Al2O3 颗粒、D 区多为大尺寸 Al2O3 颗粒的主要原因。同时， D 区中 α-Al 晶粒是依附于母材晶粒现成表面生长的，容易长大。故，D 区 α-Al 多为粗大晶粒。 增强相偏聚区为纯金属中间层时接头力学性能薄弱区域，与其接头显微结 构特点有关。接头中存在三种微连接形式：增强相/增强相（P/P）、增强相/基 体（P/M）、基体/基体（M/M），其连接强度依次增大。P 区内含有较多 P/P、 P/M 弱连接，裂纹易在此萌生与扩展；同时，缩孔等连接缺陷和脆性相（诸如 Al2Cu）也多集中于此，为裂纹萌生与扩展提供便利。接头力学性能受接头显 微结构影响。由于纯金属中间层时接头具有相似的显微结构、相同的断裂部位， 因而其接头抗剪强度相近。 用纯金属Ni作为中间层，在连接温度610℃～620℃条件下也可实现连接。 连接区主要由 Al3Ni 和 Ni 在 Al 中的固溶体组成，Al3Ni 相含量随连接温度升 高、保温时间延长而减少。分析认为原因在于：Al-Ni 扩散对通过固相扩散能 够形成化合物 Al3Ni 相；母材基体有液相析出，加速 Al、Ni 原子间互扩散。 该接头抗剪强度 70MPa～93MPa，断裂于连接区与母材界面。 综上所述，增强相偏聚区是影响 Al2O3P/6061Al 复合材料 TLP 连接接头力 学性能的主要原因；降低接头增强相偏聚，可能是提高接头力学性能一种有效 措施。 由 TLP 连接接头形成过程研究结果可知，在连接温度低