SiCp/A356半固態(tài)定點(diǎn)攪拌釬焊界面微觀結(jié)構(gòu)演變

摘 要：以SiCp/A356復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究在非真空半固態(tài)攪拌釬焊下機(jī)械攪拌時(shí)間對(duì)界面的微觀組織特征。研究結(jié)果表明：機(jī)械攪拌是基體氧化膜破碎的必要條件；在定點(diǎn)機(jī)械拌釬焊條件下，機(jī)械攪拌對(duì)基體氧化膜破碎效果明顯，并且隨著攪拌時(shí)間的增加，接頭界面的破膜區(qū)在不斷增大，并在接頭界面處形成良好的冶金結(jié)合。

關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料；機(jī)械攪拌；界面結(jié)構(gòu)；氧化膜；半固態(tài)

引言

隨著航天航空、武器裝備電子及汽車等領(lǐng)域的高速發(fā)展，具有高比強(qiáng)度、高比彈性模量、高尺寸穩(wěn)定性、較好的耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料逐漸得到了規(guī)模應(yīng)用，也是當(dāng)前我國(guó)新材料基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)[1-2]。但是，由于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致其焊接性很差，嚴(yán)重限制了該材料走向?qū)嵱没?。目前，?guó)內(nèi)外顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料采用的焊接方法主要有TIG焊[3]、激光焊[4]、釬焊[5]、瞬時(shí)液相焊[6-9]、擴(kuò)散焊[10]、攪拌摩擦焊[11]等，其中固相連接由于可避免增強(qiáng)相燒損和界面反應(yīng)，被認(rèn)為較適于該種材料的焊接的方法，該方法需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，成為該類方法大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。為了避免發(fā)生界面反應(yīng)及試驗(yàn)所需的真空環(huán)境，文獻(xiàn)[12-15]中提出一些關(guān)于非真空條件、外加能量下的連接方法，獲得了很好的試驗(yàn)結(jié)果。

最近研究結(jié)果提出了一種有效經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)鋁基符合材料非真空半固態(tài)攪拌釬焊新工藝，接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值160MPa，且接頭斷裂形貌主要為韌性斷裂的特征。該工藝?yán)脭嚢桀^施加適當(dāng)?shù)臄嚢枇?chǎng)使得釬料中固相部分流變擠壓、以至破碎待焊表面的氧化膜，氧化膜的破碎程度是評(píng)價(jià)焊接工藝參數(shù)是否最優(yōu)的一個(gè)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而研究氧化膜的破碎行為有助于優(yōu)化工藝參數(shù)。文章主要研究定點(diǎn)攪拌的時(shí)間對(duì)界面微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)覆牟捎媒?jīng)過T5熱處理的SiC顆粒增強(qiáng)A356鋁基復(fù)合材料，SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為15%，顆粒直徑約為φ12.6？滋m，A356鋁合金的化學(xué)成分如表1所示。釬料使用的是Zn27Al合金，其化學(xué)成分和固、液相線溫度如表2所示。工件尺寸為3mm×40mm×50mm，釬料尺寸為2mm×4.5mm×30mm，攪拌頭直徑為1.5mm。試樣安裝在攪拌釬焊平臺(tái)上，釬料預(yù)置于兩待焊表面之間。定點(diǎn)半固態(tài)攪拌釬焊的示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下所述：通過電阻加熱板將兩塊基材加熱到455℃，保溫三分鐘。隨后，將攪拌頭插入半固態(tài)的釬料中，并且以1570r/min的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0～30s。在機(jī)械攪拌結(jié)束后，立即對(duì)焊件進(jìn)行水冷。為了觀察攪拌在氧化膜破碎方面所起的作用，專門設(shè)計(jì)不攪拌的釬焊試驗(yàn)。即在待焊面放置釬料，溫度加熱到升至455℃，保溫三分鐘，隨后，將攪拌頭插入半固態(tài)的釬料中，但不旋轉(zhuǎn)，然后，立即對(duì)焊件進(jìn)行水冷。試樣經(jīng)拋光后進(jìn)行金相分析，使用掃描電子顯微鏡（SEM， JSM-6460LV）、和能譜儀（EDS）對(duì)接頭的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為釬料在溫度為455℃保溫3分鐘后淬火所得到的微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度為455℃時(shí)釬料Zn27Al的固相率為60%，可以看出，此時(shí)固相晶粒較多且形狀較大，液相金屬連續(xù)的分布在固相晶粒周圍。在半固態(tài)攪拌釬焊過程中，較多較大的固相部分有利于攪拌頭旋轉(zhuǎn)的攪拌力場(chǎng)迫使半固態(tài)釬料中的固相部分去擠壓、破碎以至去除待焊表面的氧化膜，此時(shí)，晶間液相去覆蓋、潤(rùn)濕已露出新鮮金屬的基體表面，最終與復(fù)合材料基體發(fā)生適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散溶解[16]。

圖3為攪拌時(shí)間為0s時(shí)的接頭微觀結(jié)構(gòu)。圖3a所示，在缺少攪拌的接頭，半固態(tài)釬料不能充分地填充焊縫間隙，釬料與基體之間始終保持未連接狀態(tài)。

圖4為攪拌時(shí)間為5s后的接頭顯微結(jié)構(gòu)，從圖4a中可以發(fā)現(xiàn)有大部分界面未連接，僅有局部區(qū)域已經(jīng)發(fā)生連接，且焊縫組織中存在大量孔洞。圖4b是圖4a的局部放大，接頭的大部分界面是處于未連接狀態(tài)。從線掃描元素?cái)U(kuò)散分布圖（圖4c）可以看出在未連接處有氧元素存在，鋁元素含量從焊縫-界面-基體上快速增加，界面處有明顯的鋅擴(kuò)散至基體表面。說明攪拌初期，釬料未能夠完全填充焊縫間隙，但焊縫間隙比未攪拌的間隙來得小，表明攪拌的初始作用主要是減小半固態(tài)釬料與基體之間的間距，使得半固態(tài)釬料與基體直接發(fā)生接觸。

圖5為攪拌時(shí)間為10s的接頭微觀組織，從圖5a中可以看出，基體表面已經(jīng)與釬料開始有相互接觸，有成線分布的破膜區(qū)存在于界面處，而未連接區(qū)域以斷續(xù)狀分布在界面上。未連接區(qū)域主要是以氧化皮為主的裂紋。圖5c是圖5b中黑實(shí)線的線掃描元素?cái)U(kuò)散分布圖，從線掃描可以看出，在未連接區(qū)域中氧元素含量較大，其主要原因是氧化皮未去除徹底，在未連接區(qū)域同樣存在Zn元素分布，說明在未連接區(qū)域能夠在攪拌的同時(shí)產(chǎn)生Zn元素的擴(kuò)散。

圖6為攪拌時(shí)間為15s的接頭微觀結(jié)構(gòu)，從圖6a中可以看出在15s的攪拌作用下，釬料能夠較好地填充焊縫，其表面氧化膜基本上已經(jīng)破碎，同時(shí)釬料與基體產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合，但仍然存在局部區(qū)域未能有良好的連接，特別是在SiC顆粒附近區(qū)域，如圖6b中所示，這是因?yàn)樵阡X基復(fù)合材料的待焊面不僅僅只是鋁基體的存在，同時(shí)也會(huì)有裸露的SiC顆粒存在界面處，而SiC顆粒的潤(rùn)濕比鋁基體要難得多。圖6c為圖6b中黑實(shí)線的線掃描元素分布圖，從線掃描元素分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，在固相晶粒擠壓的界面即沒有足夠液相部分去潤(rùn)濕的界面，其擴(kuò)散十分有限。說明在攪拌中期，加強(qiáng)了界面氧化膜的破碎，并提高界面結(jié)合情況。

圖7為攪拌時(shí)間為30s的接頭微觀結(jié)構(gòu)，從圖7a中可以看出，在攪拌30s后絕大部分的界面無氧化皮的存在，界面發(fā)生了良好的冶金結(jié)合，持續(xù)的攪拌能夠進(jìn)一步提高界面結(jié)合情況，同時(shí)其SiC顆粒也能夠與釬料之間產(chǎn)生良好的潤(rùn)濕。

從以上試驗(yàn)結(jié)果看出，機(jī)械攪拌的作用：一是減小釬料與界面的間隙，迫使釬料與界面發(fā)生接觸；二是迫使釬料擠壓、破碎界面氧化膜，促進(jìn)界面形成良好的冶金反應(yīng)。

3 結(jié)束語

半固態(tài)攪拌釬焊工藝可以實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的連接。界面的顯微結(jié)構(gòu)分析表明，在一定的機(jī)械攪拌強(qiáng)度條件下，當(dāng)增加機(jī)械攪拌時(shí)間，基體表面的氧化膜破碎效果增強(qiáng)，有利于在接頭界面處形成良好的冶金結(jié)合。攪拌初期，攪拌的主要作用是減小釬料與界面的間隙，迫使釬料與待焊界面發(fā)生接觸，局部點(diǎn)的待焊面的氧化膜發(fā)生破碎；攪拌中期，攪拌的主要作用是擠壓、破碎待焊界面的氧化膜，待焊面的氧化膜進(jìn)一步破碎；攪拌后期，攪拌的主要作用是使氧化皮遠(yuǎn)離界面，焊料與母材產(chǎn)生一定的擴(kuò)散。

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作者簡(jiǎn)介：羅泉祥，男，1986年生，碩士，助理工程師。

許惠斌，男，1971年生，博士，教授，現(xiàn)就職于重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。