金屬基復(fù)合材料半固態(tài)模鍛連接一體化成形技術(shù)

程遠(yuǎn)勝，封小松，張帥

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001;2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

材料連接是將兩種或多種材料（包括金屬和非金屬、復(fù)合材料、化合物等）通過(guò)一定的工藝條件連接到一起，形成一個(gè)完整的、具有一定使用性能的結(jié)構(gòu)。材料連接結(jié)構(gòu)具有多種材料綜合的優(yōu)良性能，因而在航空航天、空間技術(shù)、核工業(yè)、電子通訊、汽車(chē)、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)材料科學(xué)與工程技術(shù)的要求日益提高［1—5］，研制開(kāi)發(fā)新型高性能構(gòu)復(fù)合材料結(jié)零件以及先進(jìn)復(fù)合材料連接技術(shù)，已經(jīng)成為廣大高科技企業(yè)需要迫切解決的問(wèn)題，這一現(xiàn)象在汽車(chē)、航空航天、電子通訊等領(lǐng)域體現(xiàn)得非常明顯［6—10］。金屬基復(fù)合材料連接工藝主要有熔化焊工藝［11］（如激光焊、電子束焊和電容放電焊等）和固相連接工藝（如擴(kuò)散焊、慣性摩擦焊和攪拌摩擦焊等）。熔化焊連接存在很多困難，主要表現(xiàn)在熔化金屬黏度大;基體和強(qiáng)化相之間熔點(diǎn)相差較大;熔化金屬凝固時(shí)偏析現(xiàn)象嚴(yán)重;強(qiáng)化相和金屬基體會(huì)產(chǎn)生相互作用以及氣體的逸出等。固相連接工藝一般要求較高的連接溫度、壓力以及接觸面足夠光滑且非常清潔，工藝控制嚴(yán)格。

連接是陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）走向工程應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。一方面，CMCs復(fù)雜精密構(gòu)件的低成本制造，需要實(shí)現(xiàn)CMCs之間的連接;另一方面，構(gòu)件各部分不同的功能，需要實(shí)現(xiàn)其之間的連接。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于陶瓷材料的連接方法已經(jīng)有了廣泛的研究，但有關(guān)CMCs的連接研究報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少，主要是由于基體相的液相難以獲得，因而采用傳統(tǒng)的焊接方法（如熔焊）不具有現(xiàn)實(shí)意義。從已公布的文獻(xiàn)［12］可知，目前已發(fā)現(xiàn)連接 CMCs本體及其CMCs-金屬機(jī)理有:物理連接機(jī)理（分子力）、機(jī)械連接機(jī)理（釘扎結(jié)構(gòu)）、化學(xué)反應(yīng)連接機(jī)理，并且是多種機(jī)理共同實(shí)現(xiàn)連接性，相應(yīng)的連接方法主要有固相擴(kuò)散焊、液相法、先驅(qū)體法、反應(yīng)成形法。

綜上所述，復(fù)合材料連接的前提是獲得良好的接頭綜合性能，而機(jī)械連接、膠接和常規(guī)熔焊方法難以滿足這些要求［3—4］。機(jī)械連接和膠接存在很多缺點(diǎn)，如強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、膠接時(shí)產(chǎn)生多余物等。常規(guī)的熔焊方法連接容易出現(xiàn)如下問(wèn)題:（1）冶金不相容性，在界面形成脆性化合物相;（2）熱物理性能不匹配，產(chǎn)生殘余應(yīng)力;（3）力學(xué)性能差異大，導(dǎo)致連接界面力學(xué)失配，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力奇異行為。上述問(wèn)題的存在，不但使得復(fù)合材料連接困難，而且還影響到接頭組織、性能和力學(xué)行為，對(duì)接頭的斷裂性能和可靠性造成不良影響，甚至嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的完整性［3—10］。

1 半固態(tài)模鍛成形工藝的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

半固態(tài)金屬成形是20世紀(jì)70年代新發(fā)現(xiàn)的一種凝固現(xiàn)象的應(yīng)用，它不是利用凝固過(guò)程來(lái)控制組織的變化或缺陷的產(chǎn)生，而是通過(guò)半固態(tài)金屬液產(chǎn)生的流變性和熔融性來(lái)控制制件的質(zhì)量。

半固態(tài)成形包括流變成形和觸變成形。將制得的半固態(tài)非枝晶漿料直接進(jìn)行成形加工，稱為流變成形;而將這種漿料先凝固成鑄錠，再根據(jù)需要將金屬鑄錠分切成一定大小，使其重新加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間而進(jìn)行的加工稱為觸變成形。流變成形，由于直接獲得的半固態(tài)漿液的保存和輸送很不方便，因此在實(shí)際應(yīng)用中很少。相比而言，觸變成形更為實(shí)際可行。觸變成形根據(jù)其工藝過(guò)程可以分為非枝晶組織的制備、二次部分重熔及半固態(tài)觸變成形3個(gè)過(guò)程。

半固態(tài)模鍛具有許多獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn):與普通鑄造工藝相比，容易充填模具型槽，變形溫度較低，可以明顯延長(zhǎng)模具的使用壽命，同時(shí)可提高制件精度與生產(chǎn)效率，并且制件可獲得相對(duì)較高的綜合機(jī)械性能。與固態(tài)金屬塑性加工相比，屈服強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，流?dòng)性極好，可在相對(duì)較小的成形壓力作用下充填模具型槽，從而達(dá)到制件的最終形狀，且其表面粗糙度較小，并可一次成形具有復(fù)雜形狀的制件。由此可以看出，半固態(tài)模鍛成形工藝是一種高效、低耗的新興的金屬成形技術(shù)。

在國(guó)外，半固態(tài)模鍛技術(shù)已在汽車(chē)工業(yè)得到應(yīng)用，1994年和1996年，美國(guó)Alumax公司分別建成了兩座半固態(tài)鋁合金成形汽車(chē)零件的生產(chǎn)工廠，該公司生產(chǎn)的半固態(tài)模鍛鋁合金汽車(chē)制動(dòng)總泵體，由于毛坯尺寸接近零件尺寸，機(jī)加工量只占鑄件質(zhì)量的13%，同樣的金屬型鑄件的加工量則占鑄件質(zhì)量的40%。為奔迪克斯（Bemdix）牌轎車(chē)生產(chǎn)了250萬(wàn)個(gè)鋁合金汽缸頭，為福特汽車(chē)公司鍛造了1500萬(wàn)個(gè)汽車(chē)空調(diào)器壓縮機(jī)鋁合金活塞［13—14］。國(guó)內(nèi)對(duì)半固態(tài)加工技術(shù)的研究起步較晚，雖然在半固態(tài)坯料制備、二次重熔、半固態(tài)成形等方面取得了一些研究成果，但實(shí)際應(yīng)用得很少，與國(guó)外相比有較大差距。

2 復(fù)合材料半固態(tài)模鍛連接一體化成形技術(shù)

2.1 復(fù)合材料半固態(tài)模鍛連接一體化成形技術(shù)的提出

隨著工業(yè)輕量化的要求，采用輕質(zhì)合金替代傳統(tǒng)鋼質(zhì)材料是大勢(shì)所趨，但是有些部件既對(duì)強(qiáng)度有要求，又對(duì)某些物理性能有要求，如耐磨性。如果利用傳統(tǒng)的鋼質(zhì)耐磨圈，其與本體之間由于材質(zhì)的物理等性能差異，界面結(jié)合能力差，無(wú)論是塑性加工成形還是液態(tài)成形就很難完成。

作者等人曾采用利用復(fù)合材料制備耐磨圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼質(zhì)耐磨圈，隨后在壓力作用下實(shí)現(xiàn)高溫鋁液的浸滲+模鍛一次性成形［15］。但該工藝存在一定的缺點(diǎn):澆注鋁液溫度及模具材料要求較高，工藝比較復(fù)雜、工序較長(zhǎng)，由于存在液態(tài)金屬，最后凝固區(qū)容易產(chǎn)生內(nèi)部微觀裂紋。

為此提出以下思路:制備具有近球形微觀組織的耐磨圈復(fù)合材料半固態(tài)坯（漿）料以及本體金屬半固態(tài)漿（坯）料，然后依次置于模腔并在壓力作用下整體復(fù)合模鍛成形（如圖1所示）。這樣不僅零件整體一次性成形，生產(chǎn)效率高，而且界面結(jié)合良好。此即筆者所提出的“半固態(tài)材料連接-模鍛一體化成形”工藝方法。該工藝方法將半固態(tài)成形技術(shù)和材料連接2種工藝相融合，發(fā)揮其長(zhǎng)，避開(kāi)其短。

圖1 復(fù)合材料半固態(tài)模鍛-連接復(fù)合成形技術(shù)流程示意Fig.1 Schematic diagram of metal matrix composites die forging and connection in semisolid state

2.2 半固態(tài)模鍛連接成形復(fù)合工藝的研究意義

1）成形過(guò)程中既存在液相，又存在壓力作用。半固態(tài)的液相擴(kuò)散及壓力的作用，使得界面擴(kuò)散能力更強(qiáng)，性能更優(yōu)良。連接溫度超過(guò)基體固相線溫度時(shí)，原子的活性和遷移率增加，基體塑性流動(dòng)性良好，促使接頭強(qiáng)度得以明顯提高。

2）從已經(jīng)舉辦的第十一屆半固態(tài)國(guó)際會(huì)議（S2P）的學(xué)術(shù)文章看［21］，各國(guó)學(xué)者的研究工作多是集中在半固態(tài)坯料的制備方法、二次重熔、流變壓鑄和觸變壓鑄，但對(duì)如何利用半固態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料的連接成形及質(zhì)量控制問(wèn)題的研究報(bào)導(dǎo)極少。

3）半固態(tài)技術(shù)作為一種新型的復(fù)合材料連接技術(shù)，具有很多傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如變形力較小、基體組織致密、界面結(jié)合良好且無(wú)界面反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料界面連接+整體成形的同步一次性進(jìn)行，對(duì)連接條件要求比較低，簡(jiǎn)單易行無(wú)需專用設(shè)備。

4）該工藝成形方式還可以采用其他成形方式，如擠壓、軋制等。利用該工藝方法可以很好地解決層狀異質(zhì)板材的成形問(wèn)題。

2.3 復(fù)合材料半固態(tài)模鍛連接一體化研究部分研究結(jié)果

2.3.1 2024-30%vol SiCp/2024鋁合金復(fù)合材料

將通過(guò)等溫?zé)崽幚砗蟮?024鋁合金棒材加工成φ24 mm×52 mm，通過(guò)粉末冶金的方法制備出 φ24 mm×φ40 mm×50 mm的30%vol SiCp/2024鋁合金復(fù)合材料。然后將2024鋁合金棒材置于復(fù)合材料管件中，并在1000 kN壓力機(jī)下對(duì)鋁合金棒料稍微鐓粗變形，使2024-SiCp/2024鋁基復(fù)合材料界面結(jié)合牢固（如圖2 所示）［22—25］，從而制備出成形坯料。最后將上述坯料加熱到半固態(tài)溫度并置于2000 kN液壓機(jī)下模鍛成形制備出齒輪件典型件（如圖3所示）。成形溫度:620，625，630，640 ℃，成形壓力:300，400，500 MPa。成形過(guò)程中需要?dú)鍤獗Ｗo(hù)，保溫30 min，成形后保壓0.5 min。

圖2 半固態(tài)連接模鍛成形坯料Fig.2 Billets for die forging and connection

圖3 2024-SiCp/2024鋁基復(fù)合材料連接成形齒輪件Fig.3 Gear formed by forged and connected with 2024-SiCp/2024 composites

圖4 成形溫度為630℃時(shí)不同成形壓力下的微觀組織Fig.4 Microstructure of composites forged under pressure at 630℃

2.3.2 高體分率SiCp/Al-Al電子封裝殼體件半固態(tài)模鍛成形研究

國(guó)外SiCp/Al電子封裝材料制備工藝較為成熟，已從試驗(yàn)階段進(jìn)入實(shí)用階段。在部分發(fā)達(dá)國(guó)家SiCp/Al電子封裝材料已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)商品化規(guī)模生產(chǎn)，并且在重要領(lǐng)域，如軍用領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域中正逐步取代傳統(tǒng)封裝材料。新型電子封裝材料目前主要應(yīng)用在軍用電子領(lǐng)域，如微波管載體、軍用混合電路、超大功率模塊封裝和多芯片的熱沉等，取得了巨大的成果［27］。

通過(guò)粉末混合工藝制備出高體分率SiCp/Al-Al復(fù)合材料坯料，然后將其加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間并置于模膛，在壓力作用下制備出高體分率SiCp/Al-Al電子封裝殼體，如圖5所示，其中端口的Al金屬層是為了實(shí)現(xiàn)殼體與蓋板的焊接。圖6為不同體分率SiC/Al-Al復(fù)合材料殼體件主體部分的微觀組織照片［27—36］。從顯微組織上看，SiC顆粒除了少數(shù)團(tuán)聚在一起，其他絕大部分比較均勻地分布。

圖5 電子封裝高體分率SiC/Al-Al復(fù)合材料殼體件Fig.5 Shell parts with SiC/Al-Al composites for electronic packaging

圖6 不同體分率SiCp/Al-Al復(fù)合材料的金相組織Fig.6 Microstructure of SiCp/Al-Al composites with different volume fraction of SiC

如圖7所示，反映了660，690，720，750 ℃ 4種成形溫度下制備的50%vol SiCp/Al復(fù)合材料室溫下的熱導(dǎo)率?？梢钥闯?，隨著成形溫度的提高，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也隨著增加，成形壓力對(duì)熱導(dǎo)率的影響趨勢(shì)與成形溫度影響熱導(dǎo)率的趨勢(shì)基本相同，即半固態(tài)成形件的熱導(dǎo)率隨著成形壓力提高而增加。圖8為成形溫度對(duì)復(fù)合材料熱膨脹性能的影響，由圖8可以看出，隨著成形溫度的增加，其CTE逐漸減小，隨著成形壓力的增加，復(fù)合材料的CTE逐漸減小。

圖7 不同工藝參數(shù)下的50%vol SiCp/Al復(fù)合材料熱導(dǎo)率Fig.7 Thermal conductivity of 50%vol SiCp/Al composites with different technology parameters

圖8 工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料熱膨脹性能的影響Fig.8 Influences of technology parameters on thermal expansion properties of composites

3 結(jié)論

1）在半固體成形和材料連接的基礎(chǔ)上，首次提出了半固態(tài)模鍛連接一體化工藝方法，通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)，表明該工藝方法對(duì)不同體分率的復(fù)合材料的成形和連接一次性完成是可行的。

2）通過(guò)半固態(tài)模鍛成形，可以實(shí)現(xiàn)不同高體分率SiC/Al復(fù)合材料殼體件成形，且不同工藝條件對(duì)材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)有顯著影響。熱導(dǎo)率可達(dá)118 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)可達(dá)8.4×10-6K-1，可以滿足電子封裝的要求。

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