脈沖電流輔助粉末夾層TLP連接SiCp/Al接頭微觀組織和力學(xué)性能

王 博, 賴小明, 易卓勛, 張凱鋒

(1.北京衛(wèi)星制造廠 機(jī)電產(chǎn)品事業(yè)部, 北京 100094； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150001)

脈沖電流輔助粉末夾層TLP連接SiCp/Al接頭微觀組織和力學(xué)性能

王 博1, 賴小明1, 易卓勛1, 張凱鋒2

(1.北京衛(wèi)星制造廠 機(jī)電產(chǎn)品事業(yè)部, 北京 100094； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150001)

研究脈沖電流輔助瞬間液相(Transient Liquid Phase, TLP)擴(kuò)散連接技術(shù)，采用粉末中間層，利用低壓高強(qiáng)脈沖電流通過鋁基復(fù)合材料搭接面與中間層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料板材的TLP擴(kuò)散連接。分析不同工藝參數(shù)下連接試樣的微觀組織和力學(xué)性能，探索脈沖電流對(duì)鋁基復(fù)合材料連接的影響機(jī)理。結(jié)果表明：采用真空壓強(qiáng)為1×10-3Pa，平均電流密度115 A/mm2，連接預(yù)緊壓力為0.5 MPa，連接時(shí)間60 min條件下，連接接頭形成了良好的冶金連接界面，無缺陷產(chǎn)生；通過對(duì)連接接頭微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，在脈沖電流作用下，接頭原位生成彌散的高強(qiáng)度高硬度金屬間化合物增強(qiáng)相，有效地提高了接頭的力學(xué)性能。

瞬間液相擴(kuò)散連接；脈沖電流；粉末中間夾層；鋁基復(fù)合材料

隨著航空航天科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，降低航天飛行器結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、提高航天飛行器有效載荷能力的要求越來越迫切。鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比剛度以及耐磨、耐腐蝕和良好的高溫性能，兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特點(diǎn)，將在航空航天、電子和汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而，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)材料困難得多，例如，它的表面存在一層穩(wěn)固氧化膜、基體合金與增強(qiáng)相之間的物理和化學(xué)性質(zhì)相差較大等問題造成焊接性能較差，采用常規(guī)的焊接方法時(shí)，在焊縫極易出現(xiàn)氣孔、偏聚和界面反應(yīng)等缺陷，難以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭[4-6]。因此，要使鋁基復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用于各個(gè)方面，必須成功解決碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。

瞬間液相 (Transient Liquid Phase, TLP) 擴(kuò)散連接技術(shù)滿足了這些難連接金屬基復(fù)合材料的連接需要，不僅能夠有效地破壞鋁基體表面的氧化膜[7-8]，而且能夠在比釬焊低的溫度下進(jìn)行連接，無須施加壓力或只需施加很小的壓力，獲得的接頭組織和性能較好[9-10]。本研究提出脈沖電流輔助TLP擴(kuò)散連接技術(shù)，采用粉末中間層，利用低壓高強(qiáng)脈沖電流通過鋁基復(fù)合材料搭接面與中間層，產(chǎn)生焦耳熱、高溫等離子燒結(jié)效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料板材的TLP擴(kuò)散連接，通過分析不同工藝參數(shù)下連接試樣的微觀組織和力學(xué)性能，探索脈沖電流對(duì)鋁基復(fù)合材料連接的影響機(jī)理，實(shí)現(xiàn)SiCp/2024Al復(fù)合材料板材的脈沖電流輔助TLP連接。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用SiCp/2024Al復(fù)合材料板材，碳化硅顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為17%。板材加工成規(guī)格為25 mm×10 mm×1.6 mm的試樣，進(jìn)行搭接實(shí)驗(yàn)，搭接寬度2 mm。試樣處理過程為：采用800號(hào)和1200號(hào)砂紙打磨試樣表面氧化皮 → 乙醇清洗 →超聲振動(dòng)清洗試樣油污。中間夾層采用Al(43 μm)，Cu(74 μm)和Ti(43 μm)混合粉末，加入黏結(jié)劑調(diào)成均勻的糊狀，然后平鋪在清洗后試樣的待焊表面上。如圖1所示，脈沖電流通過電極、試樣搭接面和粉末中間夾層形成回路，利用脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱和等離子燒結(jié)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的TLP冶金化連接。連接過程在真空條件下進(jìn)行，真空壓強(qiáng)為1×10-3Pa；平均電流密度115 A/mm2，連接預(yù)緊壓力為0.5 MPa，連接時(shí)間15～60 min；連接過程溫度用紅外測溫儀進(jìn)行測量監(jiān)控。保溫結(jié)束后，在真空狀態(tài)下冷卻至室溫。焊后采用電子萬能拉伸機(jī)測試接頭力學(xué)性能，采用掃描電鏡分析連接接頭微觀組織。

圖1 脈沖電流輔助粉末夾層TLP連接裝置示意圖Fig.1 Set-up of pulse current auxiliary TLP with powders interlayer

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭顯微組織及成分分析

圖2和圖3所示為脈沖電流密度為115 A/mm2作用下，連接溫度580 ℃、連接時(shí)間分別為45 min和60 min時(shí)，獲得的接頭顯微組織形貌。表1展示了圖2(b)和圖3(b)中標(biāo)記點(diǎn)的元素成份表征。根據(jù)連接接頭顯微組織可以看出，接頭形成了良好的冶金連接界面，接頭分為三部分：SiCp/Al復(fù)合材料基體、元素?cái)U(kuò)散層、冶金反應(yīng)層。在實(shí)驗(yàn)施加脈沖電流作用下，Al-Cu-Ti混合粉末中間層的銅粉與鋁粉及鋁基體發(fā)生共晶反應(yīng)，產(chǎn)生局部液相共晶組織(點(diǎn)B和H)。隨著連接過程的持續(xù)，液相中富集的銅元素不斷向基體中擴(kuò)散，使得焊縫組織逐漸均勻化，實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的冶金化連接。同時(shí)，鈦元素被鋁銅共晶液相所包圍，在脈沖電流作用下與鋁元素反應(yīng)原位生成金屬間化合物增強(qiáng)相(點(diǎn)C和F)。通過對(duì)比，隨著連接時(shí)間的增加，元素?cái)U(kuò)散層和冶金反應(yīng)層顯微組織結(jié)合面越來越致密、元素分布越來越均勻。同時(shí)，對(duì)比圖2(a)和圖3(a)線掃描結(jié)果，隨著連接時(shí)間增加，Cu元素的擴(kuò)散層增大。

2.2 接頭力學(xué)性能及連接機(jī)理分析

圖4所示為連接時(shí)間對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，在連接時(shí)間為15 min時(shí)，接頭的剪切強(qiáng)度僅為42 MPa，主要是由于反應(yīng)時(shí)間較短，原子擴(kuò)散不充分，擴(kuò)散層厚度太薄，造成接頭剪切強(qiáng)度較低。隨著連接時(shí)間的增加，連接接頭的剪切強(qiáng)度隨著升高。在連接時(shí)間為60 min時(shí)，其斷裂失效發(fā)生在連接接頭的熱影響區(qū)，剪切強(qiáng)度達(dá)到了154 MPa以上，為鋁基復(fù)合材料基體剪切強(qiáng)度的61%。圖5顯示，由于熱影響區(qū)有中間層粉末和接頭內(nèi)部分液相被擠出，在熱影響區(qū)局部造成銅元素集中，鋁基體與銅元素局部形成過量的共晶液相，從而產(chǎn)生增強(qiáng)相偏聚及過量的共晶體形成。當(dāng)剪切力達(dá)到一定值時(shí)，P-P(顆粒-顆粒)界面處最易生成微裂紋，P-M(顆粒-基體)次之， 而M-M(基體-基體)則結(jié)合狀態(tài)較強(qiáng)。由于增強(qiáng)相顆粒間的弱連接，使得裂紋主要在該偏聚區(qū)產(chǎn)生和擴(kuò)展。

圖2 580 ℃連接45 min的焊接接頭的微觀組織及成分表征 (a)接頭形貌及線掃描；(b)顯微組織Fig.2 Micro-structure images and EDAX spectrums of joint at 580 ℃ in 45 min (a) topography and EDS line scanning;(b) micro-structure image

圖3 580 ℃連接60 min的焊接接頭的微觀組織及成分表征 (a)接頭形貌及線掃描； (b)顯微組織Fig.3 Micro-structure images and EDAX spectrums of joint at 580 ℃ in 60 min (a) topography and EDS line scanning; (b) micro-structure image表1 圖2(b)和圖3(b)中表征點(diǎn)的元素成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Elemental composition of points in Fig.2 (c) and Fig.3 (c) (mass faction/%)

ZoneAlTiCuA0．5298．221．27B50．210．8348．96C61．7035．712．60D96．630．752．62E0．8997．541．56F58．9839．231．79G93．090．945．97H52．850．5846．56

圖4 連接接頭的剪切強(qiáng)度Fig.4 Shear strength of joints

圖5 連接接頭熱影響區(qū)斷裂照片及微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic diagram and micro-structure of heat effect zone of joint

圖6 連接接頭的維氏硬度Fig.6 Micro-hardness of joints

圖6所示為連接接頭不同區(qū)域的維氏硬度分布示意圖。根據(jù)獲得的結(jié)果，接頭的維氏硬度排序?yàn)椋悍勰┲虚g夾層區(qū)(Zorn 0) > 擴(kuò)散區(qū)(Zorn±Ⅰ) >鋁基復(fù)合材料基體(Zorn±Ⅱ和Zorn±Ⅲ)。其中，粉末中間夾層發(fā)生冶金反應(yīng)，原位生成高強(qiáng)度高硬度的金屬間化合物，造成粉末中間夾層區(qū)硬度明顯提高。

實(shí)驗(yàn)對(duì)接頭斷口冶金反應(yīng)后的中間夾層成分進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果如圖7所示。連接接頭的中間夾層成分主要由Al相、Al2Cu及Al3Ti金屬間化合物等復(fù)合生成物組成。原位生成彌散的高強(qiáng)度高硬度金屬間化合物增強(qiáng)相與Al基體間具有較好的潤濕性，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

圖7 連接時(shí)間為60 min時(shí)連接接頭斷口中間夾層 成份XRD分析Fig.7 XRD pattern of joints bonded for 60 min

圖8所示為脈沖電流在TLP連接過程中的作用機(jī)理示意圖，脈沖電流通過電極通過基板和粉末中間層，產(chǎn)生焦耳熱及粉末中間層放電等離子燒結(jié)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了連接接頭的冶金致密化。在脈沖電流作用下，粉末中間層放電等離子燒結(jié)[11-14]，原位彌散生成的Al3Ti金屬間化合物與基體的潤濕性較好、熱膨脹率接近，能夠有效提高界面的載荷傳遞能力，從而有效增強(qiáng)連接接頭的力學(xué)性能[15]。同時(shí)，銅元素在鋁基復(fù)合材料基體與中間層界面處產(chǎn)生的熱擴(kuò)散效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)接頭的形成。另一方面，脈沖電流通過在軸向壓力和熱效應(yīng)作用下形成的Al-Ti耦合顆粒時(shí)，能夠減少金屬間相的有效激活能[16-18]，并且在電遷移效應(yīng)下進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散[19]，從而促進(jìn)連接接頭的均勻致密化過程。

圖8 脈沖電流在TLP擴(kuò)散連接中的作用機(jī)理示意圖Fig.8 Effect of pulse current on TLP diffusion bonding

3 結(jié) 論

(1)脈沖電流輔助粉末夾層瞬間液相擴(kuò)散連接接頭形成了良好的冶金連接界面，無缺陷產(chǎn)生。連接界面主要包括3部分：SiCP/Al復(fù)合材料基體、元素?cái)U(kuò)散層、冶金反應(yīng)層。隨著連接時(shí)間的增加，元素?cái)U(kuò)散層和冶金反應(yīng)層顯微組織結(jié)合面越來越致密、元素分布越來越均勻。

(2)在連接時(shí)間為15 min時(shí)，接頭的剪切強(qiáng)度僅為42 MPa，主要是由于反應(yīng)時(shí)間較短，原子擴(kuò)散不充分，擴(kuò)散層厚度太薄，造成接頭剪切強(qiáng)度較低。隨著連接時(shí)間的增加，在連接時(shí)間為60 min時(shí)，其斷裂失效發(fā)生在連接接頭的熱影響區(qū)，剪切強(qiáng)度達(dá)到了154 MPa以上，為鋁基復(fù)合材料基體剪切強(qiáng)度的61%。接頭的維氏硬度排序?yàn)椋悍勰┲虚g夾層區(qū)>擴(kuò)散區(qū)>鋁基復(fù)合材料基體。

(3)對(duì)接頭剪切斷面進(jìn)行了XRD分析，接頭的中間夾層成分主要由Al相、Al2Cu及Al3Ti金屬間化合物等復(fù)合生成物組成。原位生成彌散的高強(qiáng)度高硬度金屬間化合物增強(qiáng)相與Al基體間具有較好的潤濕性，能夠有效的提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

Pulse Current Assisted TLP Bonding of SiCP/Al Composites Sheet Using Powders Interlayer

WANG Bo1, LAI Xiaoming1, YI Zhuoxun1, ZHANG Kaifeng2

(1.Department of Mechanical and Electronics, Beijing Spacecrafts, Beijing 100094, China; 2. School of Materials Science and Engineering ,Harbin Institutes of Technology, Harbin 150001,China)

The powders interlayer was applied for transient liquid phase (TLP) bonding of SiCp/Al composites using pulse current heating. Pulse current got though the joint with powder interlayer and generated the effect of Joule heat and spark plasma sintering to achieve the TLP bonding of SiCp/Al composites sheet. The results show that there is the good TLP bonded joint without defects under the conditions of vacuum:1.39×103Pa; Pulse current density: 115 A/mm2; holding time: 15-60 min; original pressure: 0.5 MPa. The results reveal the dense joint without pores composed of the Al-based solid solution, pure Ti zone, Al2Cu, and Al3Ti intermetallic phase. Furthermore, the thermal and isothermal effects of pulse current oninsitusynthesis of TLP bonded joints of SiCp/Al composites using mixed Al-Cu-Ti powder interlayer are analyzed and discussed. According to microstructure of joint, pulse current promote to in situ form the intermetallic compound, which can provide higher mechanical properties of joint.

TLP bonding；pulse current heating；powders interlayer；Al composites

2016-08-15；

2017-02-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405487)

王博(1984—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事金屬基復(fù)合材料連接技術(shù)研究，(E-mail)wangb529@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000142

TB331

A

1005-5053(2017)03-0044-06