SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料表面顆粒暴露及真空釬焊分析

馮 濤，王引真，樓松年，張蒙蒙，李春鵬

(1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營 257061;2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030)

SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料表面顆粒暴露及真空釬焊分析

馮 濤1，王引真1，樓松年2，張蒙蒙1，李春鵬1

(1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營 257061;2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030)

采用復(fù)合材料表面顆粒暴露及表面合金化工藝，利用M6和BAI88Si釬料對SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，并進(jìn)行金相分析、拉伸試驗(yàn)和X射線衍射試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用(NaOH+HNO3)工藝能將復(fù)合材料表面顆粒部分暴露出來;采用表面沉積Cu，使用M6釬料，能改善釬縫的結(jié)合狀態(tài);釬縫與鋁基復(fù)合材料間無明顯界限，結(jié)合良好，并形成了有SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬縫，SiC顆粒在釬縫中無團(tuán)聚現(xiàn)象;釬焊接頭強(qiáng)度能達(dá)到202 MPa;在釬縫中無Al4C3脆性相生成。

SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料;顆粒暴露;表面合金化;焊接

目前國內(nèi)外復(fù)合材料研究的重點(diǎn)是顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。鋁基復(fù)合材料以工業(yè)純鋁、鍛鋁、超硬鋁和鑄鋁為基體，以SiC、Al2O3、B、C等為增強(qiáng)相，其中SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料發(fā)展最快，是當(dāng)前金屬基復(fù)合材料中最早實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的品種。新型結(jié)構(gòu)材料的可靠連接是工程應(yīng)用必須解決的重要問題，但由于鋁基復(fù)合材料復(fù)雜的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合材料的連接要比均質(zhì)材料復(fù)雜得多，這一直阻礙該材料的迅速發(fā)展［1］。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的連接方法主要包括熔化焊、固相焊、釬焊3大類［2-7］。對于SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，釬焊連接方面的研究報(bào)道尚少［8］。復(fù)合材料在釬焊的時(shí)候釬縫中沒有增強(qiáng)相或者增強(qiáng)相的含量很低，造成釬縫的強(qiáng)度下降［6］。另外，材料表面的氧化膜以及增強(qiáng)相對釬料的不潤濕也是阻礙釬料在復(fù)合材料表面鋪展的主要原因。為了改善釬縫中無增強(qiáng)相導(dǎo)致的強(qiáng)度較低以及釬料潤濕鋪展問題，筆者利用不同的腐蝕劑將鋁基復(fù)合材料的表面進(jìn)行處理，使材料中的顆粒部分暴露出來，當(dāng)釬縫成型后，這部分顆粒就作為增強(qiáng)相保留在釬縫中，使釬縫具有復(fù)合材料的特性，同時(shí)利用表面合金化工藝，對部分顆粒暴露的表面進(jìn)行處理，以改善母材表面對釬料的潤濕性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)中所用的材料為SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料，顆粒平均直徑14 μm，體積百分比10%，經(jīng)過T6(520℃固溶處理+完全人工時(shí)效處理)處理，待焊試樣的尺寸為30 mm×15 mm×3 mm。試驗(yàn)中首先利用不同的腐蝕劑對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行表面處理，腐蝕劑的組成為：10%NaOH稀溶液+30%HCl水溶液;5%NaOH稀溶液+濃HNO3;5%HNO3水溶液。

將表面處理過的試樣用JXA-840型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察，確定顆粒暴露最好的腐蝕劑配方。利用物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)的方法在部分顆粒暴露出來的母材表面上鍍Cu和Ti，考察合金元素對釬焊接頭接合狀態(tài)的影響。試驗(yàn)中所用的釬料為BAI88Si和M6，這些釬料均為箔狀，在焊接前要去除表面的氧化膜：首先用砂紙對表面進(jìn)行打磨，然后用超聲波清洗后吹干，完成后立刻將釬料夾入試樣中放入真空爐。釬料的成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)中所用釬料成分Table 1 Chemical compositions of brazing filler metal

對所用釬料進(jìn)行DSC試驗(yàn)，測定兩種釬料的熔點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種釬料的DSC分析圖樣Fig.1 DSC analysis results of filler metals

由圖1可見，BAI88Si、M6兩種釬料的熔化溫度區(qū)間分別為582.7～608.9℃，573.7～591.7℃。本次釬焊試驗(yàn)采用搭接接頭，見圖2。

利用德國ZWICK公司生產(chǎn)的萬能材料試驗(yàn)機(jī)對釬焊試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。真空釬焊試樣焊接時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)搭接拉伸接頭設(shè)計(jì)制備，焊接結(jié)束后不需要對釬焊接頭進(jìn)行加工就可以直接進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖2 釬焊試樣接頭形式Fig.2 Brazing joint style

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料表面顆粒暴露處理

采用3種不同的配方對SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料表面進(jìn)行處理，目的有兩個(gè)：一是去除表面的氧化膜;二是將表面上的顆粒部分地暴露出來。圖3～5所示為經(jīng)(NaOH+HCl)溶液、(NaOH+濃HNO3)溶液和HNO3溶液處理后的掃描電鏡照片。圖中，(a)為試樣腐蝕后復(fù)合材料表面形貌，(b)為同一試樣縱截面顆粒分布形貌。

圖3 SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料經(jīng)(NaOH+HCl)溶液處理后掃描電鏡圖像Fig.3 SEM image on SiCp/2024Al aluminum matrix composite by(NaOH+HCl)solution

由圖 3可見，SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料經(jīng)(NaOH+HCl)溶液處理后表面破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)了很深的蝕坑，大量顆粒脫落，在腐蝕液中出現(xiàn)了由脫落的顆粒構(gòu)成的黑色粉末。由圖4可見，SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料經(jīng)(NaOH+濃HNO3)溶液處理后表面的氧化膜和部分基體被腐蝕掉，將SiC顆粒部分地暴露出來，這一點(diǎn)通過對這些顆粒進(jìn)行EDAX能譜分析已經(jīng)證明。由圖5可見，SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料經(jīng)HNO3溶液處理后，表面上只是出現(xiàn)了少量的蝕坑，氧化膜沒有清理干凈，顆粒也沒有暴露出來，利用EDAX對蝕坑進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)其中O元素的含量比較高，這表明采用這種工藝不能去除表面的氧化膜和鋁基體。由以上分析可以看出，適合SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料表面顆粒暴露的腐蝕劑為(NaOH+濃HNO3)。圖6所示為顆粒暴露后復(fù)合材料表面三維形貌。

2.2 表面合金化元素對接頭的影響

鋁熔液對SiC的潤濕性較差，經(jīng)過表面顆粒暴露處理后，表面上的SiC顆粒與熔融鋁釬料的接觸面積增加，使得鋁釬料的潤濕和鋪展更加困難，因此須對表面顆粒暴露的試樣表面進(jìn)一步處理。采用真空氣相沉積的方法，在試樣表面分別沉積Ti和Cu，進(jìn)行表面合金化。其工藝為：將蒸鍍金屬用電阻絲加熱揮發(fā)，而表面顆粒暴露的鋁基復(fù)合材料板固定在上方，當(dāng)金屬蒸氣碰到上方的復(fù)合材料之后，溫度降低，就在復(fù)合材料表面上形成一層金屬蒸鍍層。在本次試驗(yàn)中蒸鍍金屬層厚度為500 nm。

將釬焊溫度確定在610～630℃，這是因?yàn)椋篋SC測定中釬料熔化溫度區(qū)間的最低值在573℃，增加30℃以提高釬料的活性;另外，初步的試驗(yàn)測試表明，當(dāng)釬焊溫度高于630℃時(shí)，母材將變軟，復(fù)合材料將在自身重力的作用下變形。保溫時(shí)間確定在5～30 min，當(dāng)保溫時(shí)間小于5 min，釬料熔化和鋪展時(shí)間太短，不能形成釬縫，如果保溫時(shí)間超過30 min，母材也將變軟、變形。

為了確定最合適的釬料和表面合金化元素組合，使用兩種釬料在610℃時(shí)分別對SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了釬焊試驗(yàn)，并對釬焊后的接頭進(jìn)行了金相分析。圖7、8為使用BAI88Si釬料和M6釬料的接頭形貌。

由圖7、8可見：①采用表面沉積Cu和沉積Ti工藝都能實(shí)現(xiàn)SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料的焊接，但是采用BAI88Si釬料時(shí)，由于其熔點(diǎn)高，焊接溫度較低，存在釬料沒有熔化、釬縫不飽滿的現(xiàn)象，而使用M6釬料的釬縫中并沒有發(fā)生這種情況;②采用同樣的釬料，氣相沉積的元素不同，焊接接頭的結(jié)合狀態(tài)也不同，表面鍍Cu工藝釬焊接頭形貌較好，焊縫填充飽滿，無不潤濕現(xiàn)象，而表面鍍Ti工藝釬料對母材的潤濕性較差，釬料在凝固的焊縫中邊緣成明顯的球狀，這是釬料不潤濕的明顯特征。

這種由表面蒸鍍元素不同而導(dǎo)致釬縫結(jié)合狀態(tài)差異的原因在于這兩種元素與Al形成共晶的溫度不同。根據(jù)圖9所示的二元合金相圖，Ti和Al在610℃的釬焊溫度下基本不能與Al發(fā)生反應(yīng)，而銅在548.2℃時(shí)就能與Al發(fā)生反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的鋁銅共晶［9-10］，這些低熔點(diǎn)共晶在復(fù)合材料表面上形成一層液態(tài)薄膜，薄膜的一邊是鋁基復(fù)合材料，一邊是熔融的釬料，這層液態(tài)薄膜增加了鋁基復(fù)合材料與SiC顆粒之間的化學(xué)和物理相容性，在焊接中能促進(jìn)釬料潤濕和鋪展。以上分析表明，在相同的焊接條件下，采用M6釬料表面蒸鍍Cu能明顯改善接頭的接合質(zhì)量。

圖9 Al-Ti系和Al-Cu系二元合金相圖Fig.9 Al-Cu and Al-Ti binary phase diagram

2.3 SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料釬焊接頭組織分析

圖10為620℃使用M6釬料表面鍍Cu的釬焊接頭的微觀組織。由釬焊接頭的金相組織可見，釬縫位置結(jié)合完整，與母材無明顯界限，釬縫中存在了一定量的SiC增強(qiáng)相，并且增強(qiáng)相沒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。這說明采用復(fù)合材料表面顆粒暴露與表面合金化相結(jié)合的技術(shù)，在保證釬料潤濕性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了形成復(fù)合材料釬縫的目的，大大改善了傳統(tǒng)釬焊方法釬縫中無增強(qiáng)相引起的接頭強(qiáng)度不高的現(xiàn)象。對焊后的接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，強(qiáng)度最高達(dá)到202 MPa。進(jìn)行T6處理后，接頭強(qiáng)度有小幅上升。

圖10 M6釬料表面沉積Cu釬焊接頭顯微形貌Fig.10 Morphology of brazed joint microstructure using M6 filler metal with Cu deposited on the surface

鋁基復(fù)合材料在焊接中常會出現(xiàn)下列反應(yīng)：

生成的脆性相Al4C3性質(zhì)不穩(wěn)定，能明顯地降低接頭的強(qiáng)度［11-12］。該反應(yīng)對溫度非常敏感，雖然可以認(rèn)為Al與SiC在620℃以下不發(fā)生此反應(yīng)，但是采用任何一種熔焊方法溫度都不可避免超過620℃，導(dǎo)致該反應(yīng)的劇烈進(jìn)行，接頭中生成大量Al4C3。釬焊過程雖然溫度不高，但是為了獲得良好的釬焊接頭，有時(shí)保溫時(shí)間較長，為了對焊接接頭中生成的相進(jìn)行定性標(biāo)定，對該釬焊接頭進(jìn)行X射線衍射分析，圖11為610℃采用M6釬料釬焊接頭的X射線衍射圖樣。對X射線衍射的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定表明，釬焊接頭中主要為Al和SiC，沒有生成Al4C3脆性相。

圖11 釬焊接頭X射線衍射圖樣Fig.11 X-ray diffraction pattern on brazing joint

3 結(jié)論

(1)利用(NaOH+HNO3)溶液的表面處理工藝能成功地將復(fù)合材料表面顆粒部分暴露出來，達(dá)到了預(yù)期的效果。

(2)利用PVD技術(shù)在部分顆粒暴露的鋁基復(fù)合材料表面合金化Cu元素，并使用M6釬料，能獲得較好的釬焊接頭。

(3)釬縫與鋁基復(fù)合材料間無明顯界限，結(jié)合良好，并形成了復(fù)合材料釬縫，SiC顆粒在釬縫中無團(tuán)聚現(xiàn)象;釬焊接頭強(qiáng)度能達(dá)到202 MPa;在釬縫中無Al4C3脆性相生成。

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Analysis on SiCp/2024 aluminum matrix composites surface reinforcements exposing and vacuum brazing

FENG Tao1，WANG Yin-zhen1，LOU Song-nian2，ZHANG Meng-meng1，LI Chun-peng1
(1.College of Electromechanical Engineering in China University of Petroleum，Dongying 257061，China;2.School of Material Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)

Using the particle exposing and surface alloying technique of aluminum matrix composite，taking M6 and BAI88Si as the filler metal，the SiCp/2024Al aluminum matrix composite was brazed.The metallographic analysis，tensile test and X-ray diffraction experiment were done.The test results indicate that the surface reinforcements are partly exposed by(NaOH+HNO3)solution.The brazing joint combination state could be improved by depositing Cu element with M6 filler metal.The brazing joint and the base metal combined well with no obvious boundary.The reinforced composite solder joints with SiC particle are formed.There is no SiC particle agglomerated in the brazing joint.The tensile strength of the welded joint can reach 202 MPa.There is no Al4C3brittleness phase formed in the brazing joint.

SiCp/2024 aluminum matrix composites;particle exposure;surface alloying;welding

TG 456.9

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.027

1673-5005(2011)03-0135-05

2010－08－29

馮濤(1978－)，男(漢族)，山東東營人，副教授，博士，主要從事特種材料焊接方面的研究。

(編輯 沈玉英)