采用Al-Si-Ti-Cu-In钎焊70% SiC p /Al复合材料工艺研究
发布时间：2021-01-03 06:40
采用Al-Si-Ti-Cu-In钎料在不同工艺参数下对70%SiCp/Al复合材料进行真空钎焊,通过扫描电镜（Scanning electron microscope,SEM）、能谱分析（Energy dispersive spectrometer,EDS）技术对接头组织形貌进行分析。结果表明:采用600℃、6MPa、保温1.5 h所得接头具有最大剪切强度90.17 MPa,断裂从母材开始,穿过钎料层,在另一侧母材中瞬断,其形貌具有韧、脆混合型断口形貌特征。焊缝微观组织主要包括蜂窝状Al基体、聚积的颗粒状富Ti、In相、环状富Si相和界面处的针状Al4C3脆性相。提高钎焊温度有利于焊缝中孔隙的收缩和减少,增加钎料对复合材料的润湿性,也有利于激发Ti的活性,阻碍Al4C3脆性相的生成。由于烧结体中孔隙变化规律和柯肯达尔效应的共同作用,使得焊缝中孔隙随保温时间的延长先减少后增加,若继续延长保温时间,孔隙终将消失。提高压力能有效改善焊缝致密度,阻碍Al4C
【文章来源】：机械工程学报. 2016年12期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
钎焊复合材料试样装配
月2016年6月李娟等：采用Al-Si-Ti-Cu-In钎焊70%SiCp/Al复合材料工艺研究61表2钎焊工艺参数编号温度/℃保温时间/h压力/MPa15901.5026001.5035801.5046002056001066001.5376001.562试验结果及讨论2.1接头组织和成分分析图2是钎焊接头焊缝和界面的组织形貌图，图2a中，上下两侧是SiCp/Al复合材料，中间是钎料，母材中黑色颗粒为SiC颗粒，母材与钎料的结合面是界面。图2b和2c分别是焊缝中心和界面处的高倍组织形貌，从图中可知焊缝组织主要分为蜂窝状A相，浅灰色块状C相和环C的深灰色环状B相，EDS测试结果如表3所示。焊缝基体相A主要由Al元素和Si元素组成，还有少量的Cu元素和Ti元素固溶于其中。A相是由钎料粉末在熔点温度下保温加压经扩散溶解而形成，因此组织在高倍电镜下呈现蜂窝状，孔洞圆润无尖角。B相主要由Al、Si和Ti元素组成，其中Si元素含量较高，因此B相为富硅铝相，该相较脆，其上易形成微裂纹。C相主要由Al、Ti和In元素组成，与A、B相相比，其Ti元素和In元素质量分数较高。(a)焊缝低倍组织形貌(b)焊缝高倍组织形貌(c)界面高倍组织形貌图2焊缝组织形貌焊缝中邻近界面区域存在较多针状组织D，其成分分析如表2所示，根据其C和Al的质量比，算得Al与C的原子比约为1.7，与Al4C3的1.3接近，又因为其形态为针状，可以推断其为SiC与Al在钎焊过程中发生界面反应生成的Al4C3脆性相。在钎焊过程中，母材中的较小SiC颗粒向半固态钎料中迁移，在钎料中靠近界面处形成一个含有少量SiC增强相的区域，SiC颗粒在钎焊过程中与钎料中Al发生界面反应生成的Al4C3针状相。Al4C3相首先横穿整个SiC颗粒，将整个颗粒分割成几个小区域，然后每个小区域继续被分割，最终在原SiC颗粒?
62机械工程学报第52卷第12期期大约为5μm，如图3b所示。由此可知，当保温时间和压力不变时，随着温度的升高，钎料中原颗粒之间的界面逐渐消失，钎料颗粒之间界面转化为晶界，钎料颗粒之间的粘接转化为晶间结合，随着温度继续升高，钎料内孔隙逐渐形成圆球形闭孔，在保温过程中逐渐减小甚至消失。图3b、3d、3e分别是当钎焊温度和压力不变时，保温1.5h、2h、1h后得到的焊缝组织。从图可知，当保温时间为1h时，焊缝中富Ti、In的C相较多，而当保温时间为1.5h和2h时，焊缝中富Ti、In的C相很少，由此可知当钎焊温度保持不变时，延长保温时间可以减少焊缝中富Ti、In的C相，促进Ti、In元素在焊缝中的均匀分布。钎焊过程中，钎料的反应过程实质上是钎料的烧结过程，按照烧结理论，随着保温时间的延长，烧结体中孔隙应该减少，体积应变校从图3b、3d、3e中发现，保温时间为1.5h的焊缝(图3b)中孔隙比保温1h的焊缝(图3e)中孔隙小而且形状圆润，可见随着保温时间的延长，烧结体中的孔隙在减少。然而当保温时间延长到2h时(图3d)，焊缝中孔隙虽然形状圆润，大小均匀，但尺寸和数量却较保温1h和1.5h时有所增加。这是由于钎料中Al-Cu、Al-Ti柯肯达尔效应与烧结过程的综合作用，保温过程中，由于Al在Cu和Ti中的扩散系数大于Cu和Ti在Al中的扩散系数，随着扩散的进行，在Al中留下空位，聚积成孔洞；同时烧结规律使得焊缝中的孔隙不断地减少和缩小，保温初始阶段，这种孔隙的减少和缩小很明显，掩盖了柯肯达尔效应产生的孔洞，但随着烧结的继续进行，孔隙的减少和缩小程度逐渐减慢，此时扩散还在继续进行，柯肯达尔效应使得焊缝中孔隙增加并长大。如果继续保温，烧结体中各元素趋于均匀分布，柯肯达尔效应对孔隙的影响将变得很微弱，此时烧结体?
【参考文献】：
期刊论文
[1]中间层对高体积分数SiCp/Al复合材料真空钎焊的影响[J]. 亓钧雷,万禹含,张丽霞,曹健,冯吉才,梁迎春. 焊接学报. 2014(04)
[2]Evolution of the Microstructure and Strength in the Nugget Zone of Friction Stir Welded SiCp/Al-Cu-Mg Composite[J]. D.Wang,B.L.Xiao,Q.Z.Wang,Z.Y.Ma. Journal of Materials Science & Technology. 2014(01)
[3]铝基复合材料用Al-12Si-xTi系三元活性钎料的制备（英文）[J]. 张贵锋,苏伟,张建勋,A.SUZUMURA. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(03)
[4]Ti-Si-Mg-Al焊丝对SiCp/Al基复合材料等离子弧原位焊接焊缝组织和性能的影响（英文）[J]. 雷玉成,薛厚禄,胡文祥,闫久春. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(02)
[5]SiCp/2024Al铝基复合材料表面颗粒暴露及真空钎焊分析[J]. 冯涛,王引真,楼松年,张蒙蒙,李春鹏. 中国石油大学学报(自然科学版). 2011(03)
[6]SiCp/2024AlMMC颗粒暴露及钎焊行为分析[J]. 冯涛,王引真,孙玉伟,衣东旭,楼松年. 焊接学报. 2010(10)
[7]SiCp/A356复合材料超声波辅助钎焊[J]. 张洋,闫久春,陈晓光. 焊接学报. 2009(03)
[8]Effect of Ti-Al on microstructures and mechanical properties of plasma arc in-situ welded joint of SiCp/Al MMCs[J]. 雷玉成,张振,聂加俊,陈希章. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2008(04)
[9]制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料[J]. 崔岩,李丽富,李景林,任建岳. 光学精密工程. 2007(08)
[10]SiCpA356复合材料制动盘应力场数值模拟与热疲劳寿命预测[J]. 王文静,谢基龙,李强,刘志明. 机械工程学报. 2007(06)
本文编号：2954509
【文章来源】：机械工程学报. 2016年12期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
钎焊复合材料试样装配
月2016年6月李娟等：采用Al-Si-Ti-Cu-In钎焊70%SiCp/Al复合材料工艺研究61表2钎焊工艺参数编号温度/℃保温时间/h压力/MPa15901.5026001.5035801.5046002056001066001.5376001.562试验结果及讨论2.1接头组织和成分分析图2是钎焊接头焊缝和界面的组织形貌图，图2a中，上下两侧是SiCp/Al复合材料，中间是钎料，母材中黑色颗粒为SiC颗粒，母材与钎料的结合面是界面。图2b和2c分别是焊缝中心和界面处的高倍组织形貌，从图中可知焊缝组织主要分为蜂窝状A相，浅灰色块状C相和环C的深灰色环状B相，EDS测试结果如表3所示。焊缝基体相A主要由Al元素和Si元素组成，还有少量的Cu元素和Ti元素固溶于其中。A相是由钎料粉末在熔点温度下保温加压经扩散溶解而形成，因此组织在高倍电镜下呈现蜂窝状，孔洞圆润无尖角。B相主要由Al、Si和Ti元素组成，其中Si元素含量较高，因此B相为富硅铝相，该相较脆，其上易形成微裂纹。C相主要由Al、Ti和In元素组成，与A、B相相比，其Ti元素和In元素质量分数较高。(a)焊缝低倍组织形貌(b)焊缝高倍组织形貌(c)界面高倍组织形貌图2焊缝组织形貌焊缝中邻近界面区域存在较多针状组织D，其成分分析如表2所示，根据其C和Al的质量比，算得Al与C的原子比约为1.7，与Al4C3的1.3接近，又因为其形态为针状，可以推断其为SiC与Al在钎焊过程中发生界面反应生成的Al4C3脆性相。在钎焊过程中，母材中的较小SiC颗粒向半固态钎料中迁移，在钎料中靠近界面处形成一个含有少量SiC增强相的区域，SiC颗粒在钎焊过程中与钎料中Al发生界面反应生成的Al4C3针状相。Al4C3相首先横穿整个SiC颗粒，将整个颗粒分割成几个小区域，然后每个小区域继续被分割，最终在原SiC颗粒?
62机械工程学报第52卷第12期期大约为5μm，如图3b所示。由此可知，当保温时间和压力不变时，随着温度的升高，钎料中原颗粒之间的界面逐渐消失，钎料颗粒之间界面转化为晶界，钎料颗粒之间的粘接转化为晶间结合，随着温度继续升高，钎料内孔隙逐渐形成圆球形闭孔，在保温过程中逐渐减小甚至消失。图3b、3d、3e分别是当钎焊温度和压力不变时，保温1.5h、2h、1h后得到的焊缝组织。从图可知，当保温时间为1h时，焊缝中富Ti、In的C相较多，而当保温时间为1.5h和2h时，焊缝中富Ti、In的C相很少，由此可知当钎焊温度保持不变时，延长保温时间可以减少焊缝中富Ti、In的C相，促进Ti、In元素在焊缝中的均匀分布。钎焊过程中，钎料的反应过程实质上是钎料的烧结过程，按照烧结理论，随着保温时间的延长，烧结体中孔隙应该减少，体积应变校从图3b、3d、3e中发现，保温时间为1.5h的焊缝(图3b)中孔隙比保温1h的焊缝(图3e)中孔隙小而且形状圆润，可见随着保温时间的延长，烧结体中的孔隙在减少。然而当保温时间延长到2h时(图3d)，焊缝中孔隙虽然形状圆润，大小均匀，但尺寸和数量却较保温1h和1.5h时有所增加。这是由于钎料中Al-Cu、Al-Ti柯肯达尔效应与烧结过程的综合作用，保温过程中，由于Al在Cu和Ti中的扩散系数大于Cu和Ti在Al中的扩散系数，随着扩散的进行，在Al中留下空位，聚积成孔洞；同时烧结规律使得焊缝中的孔隙不断地减少和缩小，保温初始阶段，这种孔隙的减少和缩小很明显，掩盖了柯肯达尔效应产生的孔洞，但随着烧结的继续进行，孔隙的减少和缩小程度逐渐减慢，此时扩散还在继续进行，柯肯达尔效应使得焊缝中孔隙增加并长大。如果继续保温，烧结体中各元素趋于均匀分布，柯肯达尔效应对孔隙的影响将变得很微弱，此时烧结体?
【参考文献】：
期刊论文
[1]中间层对高体积分数SiCp/Al复合材料真空钎焊的影响[J]. 亓钧雷,万禹含,张丽霞,曹健,冯吉才,梁迎春. 焊接学报. 2014(04)
[2]Evolution of the Microstructure and Strength in the Nugget Zone of Friction Stir Welded SiCp/Al-Cu-Mg Composite[J]. D.Wang,B.L.Xiao,Q.Z.Wang,Z.Y.Ma. Journal of Materials Science & Technology. 2014(01)
[3]铝基复合材料用Al-12Si-xTi系三元活性钎料的制备（英文）[J]. 张贵锋,苏伟,张建勋,A.SUZUMURA. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(03)
[4]Ti-Si-Mg-Al焊丝对SiCp/Al基复合材料等离子弧原位焊接焊缝组织和性能的影响（英文）[J]. 雷玉成,薛厚禄,胡文祥,闫久春. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(02)
[5]SiCp/2024Al铝基复合材料表面颗粒暴露及真空钎焊分析[J]. 冯涛,王引真,楼松年,张蒙蒙,李春鹏. 中国石油大学学报(自然科学版). 2011(03)
[6]SiCp/2024AlMMC颗粒暴露及钎焊行为分析[J]. 冯涛,王引真,孙玉伟,衣东旭,楼松年. 焊接学报. 2010(10)
[7]SiCp/A356复合材料超声波辅助钎焊[J]. 张洋,闫久春,陈晓光. 焊接学报. 2009(03)
[8]Effect of Ti-Al on microstructures and mechanical properties of plasma arc in-situ welded joint of SiCp/Al MMCs[J]. 雷玉成,张振,聂加俊,陈希章. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2008(04)
[9]制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料[J]. 崔岩,李丽富,李景林,任建岳. 光学精密工程. 2007(08)
[10]SiCpA356复合材料制动盘应力场数值模拟与热疲劳寿命预测[J]. 王文静,谢基龙,李强,刘志明. 机械工程学报. 2007(06)
本文编号：2954509
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