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SiCp/2024Al铝基复合材料的焊接

冯涛  
【摘要】: 颗粒增强的铝基复合材料因其高比强度、高比模量、耐高温、耐磨损等性能,目前正在得到日益广泛的应用。要使铝基复合材料广泛的应用于各个方面,其可靠连接是工程应用必须解决的重要问题,但由于铝基复合材料复杂的宏观和微观结构,使得复合材料的连接要比均质材料困难的多,解决铝基复合材料的连接成为该材料广泛工程应用必须攻克的技术难题之一。因此成功解决SiC颗粒增强铝基复合材料的焊接具有重要的理论意义和实用价值。 针对SiCp/2024Al铝基复合材料特性,采用两种不同的方法成功实现了铝基复合材料的焊接。 SiCp/2024Al铝基复合材料真空钎焊,论文采用复合材料表面颗粒暴露和SiC颗粒表面金属化技术,成功实现复合材料的真空钎焊,剪切强度达到202MPa。作者采用(NaOH+HNO3)化学腐蚀的方法使复合材料表层颗粒部分暴露。部分暴露出来的颗粒在真空钎焊中进入到焊缝中,使焊缝中人工生成复合材料层,改变了传统钎焊中由于钎缝中无增强相而导致的钎焊接头强度相对较低的情况。采用M6钎料表面蒸镀Cu元素的方法,改善SiC了颗粒与钎料之间的润湿性。分析表明,接头中形成了新的复合材料钎缝,并且钎缝中无Al4C3生成。通过微观和SEM断口分析研究了钎焊接头强度降低的影响因素:钎料未完全润湿;钎缝中部分区域SiC颗粒聚集,造成局部Al基体组分相对减少导致拉伸时容易从该处首先开裂,形成火山状解理面;钎焊温度过高、保温时间过程造成的气孔。 作者利用钢结硬质合金GT35作为搅拌头材料,研制成双体螺栓连接的特色搅拌头,能保证SiCp/2024Al铝基复合材料搅拌摩擦焊的顺利进行。焊接后接头形貌进行分析呈典型的洋葱环结构,焊缝中SiC/Al界面结合清晰,无脆性相生成。接头性能进行分析表明,搅拌摩擦焊接头强度达到母材强度的80%以上,搅拌摩擦焊参数选择适当时,可实现等强连接。断口分析表明,在断口上出现了同心的解理断口,说明断裂过程是沿着搅拌摩擦焊的流线断裂的。 论文应用流体动力学理论和粘度方程建立搅拌摩擦焊过程的物理模型,将铝基复合材料看作是高粘度、非牛顿、不可压缩的流体,并建立了一个非线性、全耦合的数值分析模型。分别建立搅拌头有螺纹、无倾角和搅拌头有螺纹、有倾角两种情况下的模型。搅拌头有倾角的模拟结果和“急停试验”中的接头截面金属流动情况的金相照片很好的吻合。在搅拌针的螺纹间隙中发现了母材的环状流动,这种流动是搅拌头接头“洋葱环”形成的主要原因。搅拌头后端材料的剧烈流动带,是搅拌摩擦焊焊缝形成隧道孔的主要原因和位置。


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