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SiCp/ZL101A复合材料振动辅助非真空半固态扩散钎焊

许惠斌  
【摘要】: 颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐磨性及尺寸稳定性好等许多优点,在航空、航天、汽车、电子等工业领域具有广泛的应用前景,是当前金属基复合材料研究的热点。然而,由于铝基复合材料基体和增强相物理、化学性能的差异,导致其焊接性差,这就严重地限制了这种材料的工程应用。 本文以颗粒增强铝基复合材料SiCp/ZL101A为主要研究对象,研究了颗粒增强铝基复合材料的振动钎焊过程及机理。利用拉伸试验研究了焊接接头的力学性能。利用扫描电镜、能谱分析、原子力显微镜及X射线衍射等测试手段,研究了SiCp/ZL101A复合材料的振动钎焊下的接头的微观组织以及焊接界面的连接行为。 本文研究了两种振动钎焊工艺:接触式振动钎焊和非接触式振动钎焊。接触式振动钎焊SiCp/ZL101A复合材料的研究结果表明,此工艺具有操作简单,工艺参数区间大,焊接变形小,氧化膜去除效果好等特点。在钎焊连接过程中,氧化膜的破碎主要是由上下待焊表面微峰之间相互剪切和冲击来完成的。然而,由于待焊表面强烈地摩擦也造成焊缝间隙中钎料金属被过多地挤出,从而在边缘处形成了大尺寸的孔洞。因此,接触式振动钎焊连接的焊缝中孔洞的存在,严重限制了接头强度的进一步提高。 针对接触式振动钎焊工艺的缺陷问题,本文提出了非接触振动钎焊工艺。钎料能够较长时间不被挤出的特征是非接触式振动钎焊是否能够实现成功连接的关键。其中,通过晶间低熔点相的液化获得的半固态钎料有助于焊缝中钎料的动态保持和基体表面氧化膜的破碎。 基于半固态合金压缩变形理论,建立了非接触式振动钎焊下的基体表面的氧化膜去除物理模型。在振动去膜的初期,基体表面的氧化膜的破碎主要通过焊缝中固相晶粒对基体表面的冲击来完成。在振动去膜的中后期,由于基体进一步溶解,流体对基体表面的搅拌和冲刷有助于使已经破碎的氧化膜从基体表面的剥离。 一次振动连接后升温阶段的研究结果表明,通过提高升温温度和降低升温速率,可以提高钎缝中的Zn向母材中的扩散能力并促进基体材料的溶解。另外,在以较慢的升温速率升温过程中,连接区域出现结晶现象。这主要因为在达到相同的连接温度时,较慢的升温速率使连接区域的元素有充分的时间进行扩散,致使在升温过程钎缝中的Zn浓度明显下降。当较慢的升温速率引起的接头中浓度下降的幅度大于由于温度升高引起的极限溶解度下降幅度时,接头的成分即进入液固相区,即开始凝固。因此,通过1K/s的升温到520℃,可使连接区域处于固液共存的状态。在以上试验的基础上,建立了加热阶段Zn在基体中的扩散模型和固液界面推移模型。 试验发现,在焊件被加热升温后,第二次施加振动可以在较短时间内挤出接头中的气孔。振动作用下,半固态焊缝金属发生固液分离现象,并且液相金属聚集在气孔的周围。随后,气孔发生了明显向焊缝边缘的移动,在一定的时间范围内,焊缝金属内的气孔被挤出到焊缝的边缘。随着振动时间的延长,接头强度增加,当振动时间增加到24s时,接头强度达到最大值195MPa。另外,共晶相的断续化和基体的固溶强化也是接头强度增加的原因之一。


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