基于釬焊法制備Cf/Al復(fù)合材料工藝研究

樊 浩 ，張凌云 ，邢 麗

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，江西 南昌 330063）

0 前言

碳纖維（Carbon Fiber，Cf）增強鋁基（Cf/Al）復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕等諸多優(yōu)良特征，已成為航空航天領(lǐng)域的重要功能材料之一[1-4]。目前Cf/Al復(fù)合材料的制備方法主要有固態(tài)法和液態(tài)法兩種[5-7]。液態(tài)法工藝成熟，但制備溫高、周期長，易發(fā)生過量的界面反應(yīng)，影響材料的強度[8]。帥甜田等[9]采用熱壓擴散法制備了層壓編織Cf/Al復(fù)合材料，其復(fù)合材料的致密度高，Cf與基體界面結(jié)合良好但有Al4C3生成。喻思[10]等通過熱等靜壓制備出無孔洞的Cf/Al復(fù)合材料，單其制備壓力高達120 MPa，時間長達2 h。

本研究采用釬焊法通過箱式電阻爐和真空熱壓爐加熱成功制備出碳纖維增強鋁基（Cf/Al）復(fù)合材料，該方法利用釬料來填充Cf的間隙，制備溫度低、效率高。研究了釬料成分、加壓狀態(tài)以及加壓方法對Cf/Al復(fù)合材料成形的影響，并分析其顯微結(jié)構(gòu)。

1 試驗材料和方法

試驗基體材料為2 mm厚的純鋁1060板材，切割成尺寸45mm×15 mm。增強相為單向編制的T-300型Cf，其主要參數(shù)如表1所示。釬料為0.2mm厚的片狀HL402和300目粉末狀的HL505，其成分和物理參數(shù)如表2所示，采用QJ201釬劑。試驗前將Cf放置在有氬氣保護的爐內(nèi)，在500℃下保溫20min，并在丙酮中浸泡2 h以去除Cf表面的有機膠，改善Cf與釬料的潤濕[11]。

表1 T-300型Cf的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of T-300

表2 釬料的化學(xué)成分和物理參數(shù)Table 2 Chemical composition and physical parameters of the solder

試驗采用兩種方式來填充釬料，一種是側(cè)邊填充，另一種是疊層填充，其制備示意如圖1所示。圖1a為側(cè)邊填充釬料方式，將經(jīng)過表面除膠處理的Cf與基體材料疊放，并在側(cè)邊填充釬料和釬劑。圖1b為疊層填充釬料方式，將經(jīng)過表面除膠處理的Cf、釬料及基體材料交替疊放，并在側(cè)邊涂上釬劑。復(fù)合材料制備采用兩種方法加熱加壓，一種是將待制備的試樣放入SX2-5-12箱式電阻爐加熱至預(yù)定溫度后保溫15 min，之后空冷至室溫，制備過程中有不加壓和加壓（壓力約為1 MPa）兩種狀態(tài)；一種是將待制備的試樣放入ZM-45-12Y真空熱壓爐，加熱至預(yù)定溫度后加壓10 MPa保溫15 min，之后隨爐冷卻。試驗工藝參數(shù)如表3所示。

沿垂直于Cf纖維鋪設(shè)方向取Cf/Al復(fù)合材料橫截面的金相試樣，并用光學(xué)顯微鏡觀察其橫截面顯微結(jié)構(gòu)。

圖1 復(fù)合材料制備示意Fig.1 Schematic of composites preparation

表3 試驗工藝參數(shù)Table 3 Test parameters

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 復(fù)合材料的成形

制備的Cf/Al復(fù)合材料的宏觀形貌如圖2所示。圖2a、2b為采用側(cè)邊填充HL402釬料制備的復(fù)合材料，圖2c～2e為采用疊層填充HL402釬料制備的復(fù)合材料，圖2f、2g為采用疊層填充HL505釬料制備的復(fù)合材料。圖2a中發(fā)現(xiàn)在結(jié)合層有部分區(qū)域存在釬料未填充；圖2b中發(fā)現(xiàn)結(jié)合層成形不良；圖2c中發(fā)現(xiàn)有部分Cf裸露；圖2d、2e中結(jié)合層成形良好，圖2e出現(xiàn)結(jié)合層釬料溢出；圖2f發(fā)現(xiàn)有大面積Cf裸露；圖2g存在結(jié)合層有部分釬料未填充。

制備的Cf/Al復(fù)合材料的橫截面形貌如圖3所示。圖3a、3b為采用側(cè)邊填充HL402釬料制備的復(fù)合材料，圖3c～3e為采用疊層填充HL402釬料制備的復(fù)合材料，圖3f、3g為采用疊層填充HL505釬料制備的復(fù)合材料。圖3a、3b中發(fā)現(xiàn)在結(jié)合層有部分區(qū)域存在釬料未潤濕存在孔隙，且Cf裸露；圖3c中發(fā)現(xiàn)結(jié)合層存在大面積釬料未潤濕，且結(jié)合層成形不良；圖3d、3e中結(jié)合層釬料潤濕均勻、成形良好，Cf分布均勻且無宏觀缺陷，但圖3e的結(jié)合層較圖3d的更薄、更致密。

圖2 復(fù)合材料宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of composites

圖3 復(fù)合材料橫截面形貌Fig.3 Cross section morphology of composites

由圖2和圖3可知，采用側(cè)邊填充HL402釬料制備復(fù)合材料時，無論是否加壓，結(jié)合層成形不良且均有孔隙出現(xiàn)；采用疊層填充HL402釬料制備的復(fù)合材料時，只有在不加壓時結(jié)合層成形差并有Cf裸露現(xiàn)象，加壓時結(jié)合層成形良好，且采用真空熱壓爐加壓時結(jié)合層更為致密；采用疊層填充HL505釬料制備的復(fù)合材料，無論是否加壓，結(jié)合層只有部分區(qū)域被釬料潤濕，且均有Cf裸露。

分析認(rèn)為，側(cè)邊填充HL402釬料時，熔化的釬料潤濕距離較長，且結(jié)合層的Cf對釬料有阻礙作用。當(dāng)采用疊層填充HL402釬料時，在不加壓時，結(jié)合層中的Cf只是鑲嵌在熔化的釬料表面，會出現(xiàn)部分Cf裸露；當(dāng)加壓時，鑲嵌在釬料中的Cf在壓力作用下與釬料緊密結(jié)合，釬料填入Cf的縫隙中使結(jié)合層成形良好。疊層填充HL505釬料時，因其為粉末狀，表面存在大量的氧化物難以去除，導(dǎo)致潤濕性變差。

結(jié)果表明，采用疊層填充HL402釬料，在壓力下通過釬焊法使用電阻爐和真空熱壓爐均可制備出成形較好的Cf/Al復(fù)合材料。

2.2 復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)

采用疊層填充HL402釬料在壓力下使用電阻爐和真空熱壓爐制備的Cf/Al復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的金相照片如圖4所示。圖4中不規(guī)則的圓形灰色部分為Cf，黑色部分為填充釬料，結(jié)合層靠近基體區(qū)域為Cf外層，中間區(qū)域為Cf內(nèi)層。由圖4a可知，Cf較均勻地鑲嵌在釬料中，釬料可以較好地填充到Cf之間。圖4b為圖4a結(jié)合層放大圖，發(fā)現(xiàn)Cf內(nèi)層區(qū)域的Cf四周均被釬料所包裹，如圖4b中A區(qū)所示；Cf外層區(qū)域出現(xiàn)了Cf偏聚甚至存在Cf空缺，如圖4b中B區(qū)所示。圖4c的結(jié)合層相較于圖4a的薄，Cf較均勻致密地分布在釬料中。圖4d為圖4c結(jié)合層放大圖，可見內(nèi)層的Cf和外層的Cf分布都很均勻，但在Cf外層出現(xiàn)Cf凹陷進基體中，如圖4d中C區(qū)所示。

圖4 復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of the composites

分析認(rèn)為，圖4b中B區(qū)產(chǎn)生Cf偏聚現(xiàn)象主要原因是制備過程中熔化的釬料受到不均勻壓力所致；圖4b中Cf有破損現(xiàn)象，是因為高溫條件下Cf被氧化受損所致。圖4d中Cf輪廓完整、且較均勻致密地分布在結(jié)合層中，Cf間距約為2～4 μm，這是因為在真空熱壓爐中，較高的溫度和高壓狀態(tài)使得熔化的釬料可以充分地填充到Cf間隙中，且真空環(huán)境能夠有效避免Cf被高溫氧化，但是高溫和高壓也使得Cf擠壓基體并嵌入其中，如圖4d中C區(qū)所示。

3 結(jié)論

（1）采用疊層填充HL402釬料，加熱到600℃保溫15 min，在壓力下通過釬焊法使用電阻爐和真空熱壓爐均可制備出成形較好的Cf/Al復(fù)合材料。

（2）通過真空熱壓爐制備出的Cf/Al復(fù)合材料，其Cf的間距約為2～4 μm，釬料能夠充分地填充到Cf的間隙中，且Cf輪廓完整并較均勻致密地分布在結(jié)合層中。