SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接研究進(jìn)展

劉浩博 ，楊尚磊 ，2，謝超杰 ，張 琪 ，曹亞明

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué)上海市高強(qiáng)激光智能加工裝備關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)學(xué)研開發(fā)中心，上海201620）

0 前言

SiC顆粒增強(qiáng)的鋁合金復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨損、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注，在航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，目前SiC鋁基復(fù)合材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的生產(chǎn)[1]。但其復(fù)雜的理化特性導(dǎo)致材料間相互連接成為了一項(xiàng)技術(shù)難題，解決鋁基復(fù)合材料的連接問題成為推廣應(yīng)用該材料的重要步驟。本研究綜述了近年來國內(nèi)外鋁基復(fù)合材料連接的相關(guān)研究，討論采用熔化焊、電阻焊、高能束焊、瞬間液相擴(kuò)散焊、釬焊等方法焊接該種材料的優(yōu)缺點(diǎn)以及改進(jìn)的途徑和方向。

1 熔化焊（TIG、MIG）

熔化焊是應(yīng)用最廣的焊接方法，其成本低、操作靈活、效率高，對試樣的尺寸要求不嚴(yán)格，同時TIG和MIG焊焊接鋁合金能獲得優(yōu)良的接頭質(zhì)量，因此熔化焊成為最早用于鋁基復(fù)合材料的焊接方法，但結(jié)果并不理想，出現(xiàn)了如下問題。

（1）熔化焊溫度較高，在焊接過程中接頭處母材熔化，熔化狀態(tài)下的母材中固態(tài)增強(qiáng)相SiC顆粒大量混入熔池中，降低了熔池的流動性，使其發(fā)生粘滯，影響母材和填充金屬的充分混合。同時熔池流動性下降導(dǎo)致熔池中的氫逸出困難最終形成氣孔。

（2）熔池凝固過程中容易發(fā)生增強(qiáng)相的偏析，導(dǎo)致焊縫部分區(qū)域無增強(qiáng)相，而部分區(qū)域出現(xiàn)增強(qiáng)相的聚集，嚴(yán)重影響接頭性能。

（3）在高溫下基體會與增強(qiáng)相發(fā)生反應(yīng)

Al4C3將以薄片狀沉淀析出，Si以塊狀沉淀析出，Al4C3作為脆性相分布在SiC界面周圍嚴(yán)重削弱了增強(qiáng)相的作用，Si則作為夾雜進(jìn)一步降低了接頭處的強(qiáng)度。

TIG焊鋁基復(fù)合材料焊縫處的顯微組織照片如圖1所示[2]，可以明顯看出原本應(yīng)該彌散分布在Al基中的SiC增強(qiáng)相團(tuán)聚出現(xiàn)在焊縫中，使得增強(qiáng)相成為焊縫的夾雜。焊接接頭的拉伸端口如圖2所示，焊縫中存在明顯的氣孔。上述兩種缺陷降低了TIG焊鋁基復(fù)合材料接頭的力學(xué)性能，焊縫的最大抗拉強(qiáng)度只有母材的51%。

圖1 焊縫底部微觀組織[2]

圖2 焊接接頭焊縫拉伸斷口形貌[2]

對于以上問題，近年來許多學(xué)者提出了新的改進(jìn)方案，如在填充金屬中添加合金元素以改善焊縫金屬的性能；發(fā)展電弧跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)時跟蹤并優(yōu)化焊接過程；進(jìn)行焊后熱處理等。雖然這些措施可以使得熔化焊基本適合鋁基復(fù)合材料的焊接，但焊接質(zhì)量依舊不穩(wěn)定[3-4]。由此可見，熔化焊對鋁基復(fù)合材料的焊接性較差。

2 電阻焊

電阻點(diǎn)焊鋁基復(fù)合材料較熔化焊(MIG/TIG)成形更好，這是因?yàn)殡姾讣訜崴俣瓤臁⒑附訒r間短，因此焊接過程中基體材料不會與增強(qiáng)相發(fā)生劇烈反應(yīng)，避免了脆性相的析出。在電阻電焊鋁基復(fù)合材料的過程中，若工藝控制不當(dāng)會出現(xiàn)氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。氣孔的出現(xiàn)是由于電焊時間過長且冷卻速度過快導(dǎo)致氫氣來不及逸出，同時增強(qiáng)相提高了熔池粘度，這更增加了氣孔出現(xiàn)的幾率，因此控制焊接時間十分重要。熱裂紋的出現(xiàn)也與增強(qiáng)相降低熔池流動性有關(guān)。噴濺則是由于焊接電流過大和焊接壓力過小所導(dǎo)致，雖然可以通過控制工藝而避免，但一旦出現(xiàn)工藝控制不當(dāng)噴濺會造成焊接接頭鋁基大量損失，進(jìn)而出現(xiàn)增強(qiáng)相的偏聚影響接頭性能[5]。

因此，電阻電焊鋁基復(fù)合材料必須嚴(yán)格控制工藝，這無疑增加了工程應(yīng)用的難度，同時電阻焊對焊件尺寸、形狀有很大限制且不能焊長焊縫，嚴(yán)重阻礙了其復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。因此電阻焊也不是鋁基復(fù)合材料焊接的有效方法。

3 高能束焊

電子束焊和激光焊相比傳統(tǒng)焊接方式有著高效、可控和接頭優(yōu)質(zhì)等諸多特點(diǎn)，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并迅速應(yīng)用到多種材料的連接。但目前在鋁基復(fù)合材料的連接上兩者仍不成熟[6-7]。

電子束焊鋁基復(fù)合材料存在許多問題，如電子束對中焊會造成熱輸入過大、鋁基蒸發(fā)、使得增強(qiáng)相濃度升高，這增加了熔池粘度從而影響焊縫成形；同時熔池中鋁基和增強(qiáng)相發(fā)生反應(yīng)生成針狀或片狀的Al4C3脆性相，對接頭強(qiáng)度影響較大。這些問題雖然可以通過降低電流或者進(jìn)行偏束焊接等減小熱輸入的方法來控制但效果有限，如圖3所示，且熱輸入降低會影響增強(qiáng)相與鋁基的潤濕性，導(dǎo)致增強(qiáng)相偏聚[8-9]。

圖3 焊縫中的針狀A(yù)l4C3相[8]

激光焊焊接鋁基復(fù)合材料過程中鋁基與增強(qiáng)相也會發(fā)生反應(yīng)生成Al4C3脆性相和Si塊進(jìn)而影響接頭性能。其原因是鋁基復(fù)合材料中的增強(qiáng)相對激光的吸收率高于鋁基，導(dǎo)致在焊接過程中SiC溫度先于基材提高，再通過熱傳導(dǎo)將熱量傳到基材，這種加熱機(jī)制使得增強(qiáng)相與其附近的基體Al發(fā)生反應(yīng)。為了消除這種反應(yīng)，牛濟(jì)泰[10]提出臨界硅活度α[Si]min這一概念，即只要熔池中α[Si]（硅在鋁液中的活度）大于α[Si]min增強(qiáng)相，與鋁基的界面反應(yīng)就不易發(fā)生，因此要求α[Si]min盡可能低。α[Si]min和熔池溫度之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 臨界硅活度α[Si]min與溫度T的關(guān)系曲線

由上述內(nèi)容可知，高能束焊接鋁基復(fù)合材料的問題主要為：Al4C3脆性相出現(xiàn)、增強(qiáng)相偏聚以及熔池潤濕性較差。雖然有學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)，但這些方法并不完善，還有待進(jìn)一步研究。

4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是20世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型固相連接方式，具有接頭質(zhì)量高、焊接變形小、無污染等特點(diǎn)，被譽(yù)為繼激光焊后又一次革命性的焊接技術(shù)。目前利用攪拌摩擦焊成功連接了鋁合金、不銹鋼、低碳鋼等同種或異種材料，關(guān)于鋁基復(fù)合材料的連接研究較少，但不失為一種有效的連接方式[11-12]。

相比前面提到的各種方法，攪拌摩擦焊焊接鋁基復(fù)合材料的焊接接頭表面成形良好、無飛邊、下壓量適中，縮孔位置非常光滑、無裂縫。但在焊接過程中在攪拌頭的作用下焊核區(qū)部分SiC增強(qiáng)相會被排擠到焊核外，使得該區(qū)域增強(qiáng)相減少，同時熱機(jī)影響區(qū)出現(xiàn)增強(qiáng)相堆積，但對接頭性能的影響仍在可接受范圍內(nèi)。不過，對于纖維增強(qiáng)相鋁基復(fù)合材料來說該方法不適用，因?yàn)閿嚢桀^會破壞增強(qiáng)相的連續(xù)性，這也限制了攪拌摩擦焊的應(yīng)用[13]。

針對基建項(xiàng)目財(cái)務(wù)管理來說，現(xiàn)階段的資本性支付和收益性支出的區(qū)別有所變化，但實(shí)際上，會計(jì)核算和稅務(wù)籌劃等都有著不同的含義，新形勢下，新的會計(jì)制度取消了長期分?jǐn)傎M(fèi)用的墻紙規(guī)定，企業(yè)在進(jìn)行收益性支出中可以選擇新的利益收入方式，這也就減輕了企業(yè)的納稅壓力，但實(shí)際上資本性支出和收益性支出的劃分方面仍然有嚴(yán)格規(guī)定。不管是將收益性支出劃入到資本性支出，還是將資本性支出劃入到收益性支出，都是不正確也不合理的。

5 釬焊

釬焊是比較適合焊接鋁基復(fù)合材料的一種連接方式，其焊接溫度低，母材基本不熔化，不會出現(xiàn)增強(qiáng)相與鋁基之間的反應(yīng)，接頭成形良好，強(qiáng)度達(dá)標(biāo)（為母材的60%）。此外該方法簡單易行，除真空釬焊外一般無需其他設(shè)備，且在焊件尺寸上的自由度很大。但是釬焊鋁基復(fù)合材料依舊有許多問題亟待解決。

（1）Al2O3氧化膜對焊接質(zhì)量的影響。

由于鋁基復(fù)合材料的基體是Al，在空氣中會與氧反應(yīng)生成致密、穩(wěn)定的Al2O3薄膜，Al2O3極其穩(wěn)定，釬焊過程中一般不會熔化，這嚴(yán)重影響釬料在母材表面的潤濕與鋪展。且焊接結(jié)束后氧化膜會成為夾雜存在于釬縫中影響接頭強(qiáng)度。

（2）釬縫中易出現(xiàn)SiC的偏聚。

這是由于釬焊的保溫過程中，釬料中的活性元素如Si、Ge等易向母材中擴(kuò)散，引起母材液相線下降，造成部分母材發(fā)生熔化，在隨后的冷卻過程中，SiC與α-Al的晶體結(jié)構(gòu)相差較大，因此SiC無法成為形核中心，靠近母材的金屬液體先一步結(jié)晶，將SiC排擠到釬縫區(qū)，最后在釬縫區(qū)形成增強(qiáng)相的偏聚，而在母材一側(cè)則出現(xiàn)增強(qiáng)相的貧化[14]。

可在釬料中添加Cu等元素改善釬料對SiC的潤濕性提高其流動性；同時可以利用超聲波實(shí)現(xiàn)氧化膜的去除和SiC的均布，甚至可以在焊接前通過超聲波去除接頭處的SiC，實(shí)現(xiàn)Al-Al的微連接避免SiC對釬料潤濕和釬縫質(zhì)量的影響[15-17]。

6 瞬間液相連接

瞬間液相連接（TLP）是擴(kuò)散焊的一種，不同于固相擴(kuò)散焊，它是利用低熔點(diǎn)的中間層材料熔化形成低熔點(diǎn)共晶，在接頭的連接面處形成液態(tài)薄膜，隨后等溫凝固形成組織均勻的焊接接頭。該方法焊接溫度低，不會發(fā)生增強(qiáng)相與鋁基的反應(yīng)，同時不需要或只需很小的壓力，且對于工件表面要求不高，即使有表面氧化膜也不影響接頭性能。因此十分適合鋁基復(fù)合材料的焊接[18]。

TLP焊接鋁基復(fù)合材料的要點(diǎn)在于中間層、保溫時間以及壓力的選擇。TLP中的壓力較低，一般約為0.7 MPa，加壓可以有效減少接頭中氧化物夾雜的數(shù)量，同時加快等溫凝固過程完成，從而提高接頭性能。目前中間層一般為Cu，但單純用Cu作為中間層，接頭強(qiáng)度只能達(dá)到母材的50%，為了提高接頭強(qiáng)度，有學(xué)者選用Ni或Cu-Ni-Cu作為新的中間層，如圖5所示，Ni作為中間層可以大大提高接頭強(qiáng)度，Cu-Ni-Cu作為中間層的焊接溫度更低且其接頭強(qiáng)度更高，達(dá)到母材的85%，更適合作為中間層。其原因是焊接過程中Cu-Ni-Cu中的Cu先與Ni熔化形成液態(tài)薄膜，在壓力的作用下被不斷從接頭處擠出同時帶走大量的氧化膜夾雜和表面潤濕性較差的SiC增強(qiáng)相，隨后形成Al-Ni液態(tài)合金，最終等溫凝固后形成牢固鏈接。這個過程中Cu并不參與最后的連接，其作用是排出接頭處的氧化膜和有缺陷的增強(qiáng)相，從而提高接頭性能。保溫時間對接頭的性能影響較大，如果保溫時間過短會導(dǎo)致中間層來不及擴(kuò)散在接頭處形成明顯的連接界面，進(jìn)而影響接頭強(qiáng)度，可以通過加壓達(dá)到縮減保溫時間的目的[19-20]。

瞬間液相連接除了適合鋁基復(fù)合材料的焊接外還適合異種材料的焊接，如鋁基復(fù)合材料和鋁合金的焊接、鋁基復(fù)合材料和低碳鋼的焊接，雖然這方面的發(fā)展還不成熟，但可以通過進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)，這大大擴(kuò)展了鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用空間，實(shí)現(xiàn)更全面的工程應(yīng)用[21]。

7 結(jié)論

圖5 用Ni和Cu/Ni/Cu中間層的連接接頭強(qiáng)度

隨著SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，其連接技術(shù)的開發(fā)成為重中之重，連接質(zhì)量的好壞直接決定此種材料的應(yīng)用前景。目前，鋁基復(fù)合材料的制備已日趨成熟，利用現(xiàn)有技術(shù)可以獲得不同規(guī)格的材料。但是由于鋁基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)相之間的物理、化學(xué)性能差別較大，因此其連接難度較大。雖然通過上述討論發(fā)現(xiàn)釬焊和瞬間液相連接可以實(shí)現(xiàn)該材料的焊接，尤其是瞬間液相連接技術(shù)，但仍需深入研究接頭增強(qiáng)相的結(jié)構(gòu)、形貌、偏析、力學(xué)性能的影響等機(jī)理。同時，中間層材料的選擇也需要新的嘗試，研究復(fù)合中間層和合金類中間層是提升鋁基復(fù)合材料TLP焊接性能的重要方法。因此，全面分析現(xiàn)有技術(shù)和開發(fā)新的焊接方法迫在眉睫。關(guān)于鋁基復(fù)合材料焊接接頭機(jī)械性能和疲勞損傷機(jī)理的研究也應(yīng)同步展開。

[1] 金朝陽，顧曉波，鄒家生，等.鋁基復(fù)合材料連接研究進(jìn)展[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000，14（5）：67-71.

[2] 程東鋒，王鵬，牛濟(jì)泰，等.SiCp/6061Al復(fù)合材料的鎢極氬弧焊工藝研究[J].熱加工工藝，2015，44（5）：178-180.

[3] 牛濟(jì)泰，汪喜和，周廣濤，等.SiCp顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 TIG 焊工藝研究[J].載人航天，2006（5）：31-34.

[4]GARCIA R，LOPEZ V H，MORELIA E B.A comparative study of the MIG welding of Al/TiC composites using direct and indirect electric arc processes[J].Journal of Materials Science，2003，10（38）：2771-2779.

[5] 李杏瑞，牛濟(jì)泰，楊順成，等.SiCp/6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊接頭中的缺陷分析[J].機(jī)械工程材料，2013，37（4）：14-16.

[6] 季小輝，王少剛，趙小群，等.SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的電子束焊接研究現(xiàn)狀[J].輕金加工技術(shù)，2009，37（1）：11-15.

[7] 崔海超，蘆鳳桂，唐新華，等.顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料激光焊接研究現(xiàn)狀及展望[J].焊接，2009（5）：35-37.

[8] 陳國慶，張秉剛，楊勇，等.SiCp/2024與2219鋁合金電子束焊接[J].焊接學(xué)報，2015，36（3）：27-30.

[9]Chawla N，Ganesh V V，Wunsch B.Three-dimensional(3D)microstructure visualization and finite element modeling of the mechanical behavior of SiC particle reinforced aluminum composites[J].Scriptamaterialia，2004，51（2）：161-165.

[10]牛濟(jì)泰，王慕珍，來忠紅，等.SiCW/6061Al鋁基復(fù)合材料激光焊機(jī)理[J].焊接學(xué)報，2000，21（1）：1-3.

[11]張婧，封小松，黃琿，等.鋁/鋁基SiC復(fù)合材料搭接微攪拌摩擦焊工藝特性[J].稀有金屬材料與工程，2016，45（3）：720-725.

[12]Huseyin Uzun.Friction stir welding of SiC particulate reinforced AA2124 aluminium alloy matrix composite[J].Materials and Design，2007（28）：1440.

[13]馮濤，郁振其，韓洋，等.SiCp/2024Al鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接頭微觀組織[J].航空材料學(xué)報，2013，33（4）：27-31.

[14]張貴鋒，張建勛，鐘明波，等.鋁基復(fù)合材料/低碳鋼異種材料過渡液相擴(kuò)散焊[J].焊接學(xué)報，2007，28（9）：59-62.

[15]王少剛，劉紅霞.SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的釬焊性[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2009，27（2）：186-189.

[16]田金峰，徐冬霞，王東斌，等.SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊技術(shù)的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報，2014，33（9）：2276-2279.

[17]Halil Arik，Mustafa Aydin，Adem Kurt，et al.Weldability of Al4C-Al composites via fusion welding technique[J].Materials and Design，2005（26）：555-560.

[18]陳錚，金朝陽，趙其章，等.SiCP顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的瞬間液相連接[J].焊接學(xué)報，2001，22（6）：57-60.

[19]陳錚，金朝陽，顧曉波，等.用Cu箔中間層瞬間液相連接SiCP/Al復(fù)合材料的界面現(xiàn)象與連接強(qiáng)度[J].焊接學(xué)報，2001，22（5）：27-30.

[20]Askew J R，Wilde J F，Khan T I.Transient liquid phase bonding of 2124 aluminum metal matrix composite[J].Materials Science and Technology，1998（14）：920-924.

[21]Li Z，F(xiàn)earis W，North T H.Particulate segregation and mechanical properties in transient liquid phase bonded metal matrix composite[J].Material.Materials Science and Technology，1995，30（11）：363-369.