碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的釬焊工藝

摘要： 文中探討了碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料采用氬氣保護下的釬焊可行性。通過試驗表明，使用合適的焊接材料，以及合適的釬焊溫度、保溫時間等，能使釬料在母材上鋪展，并形成良好的接頭。接頭剪切試驗表明，當(dāng)釬焊溫度為575 ℃時接頭的剪切強度最高，達到了90.8 MPa，為母材強度的63.6％。通過金相組織觀察和XRD，發(fā)現(xiàn)接頭中熔入了SiC顆粒，說明母材向釬縫發(fā)生了擴散，適量的擴散有利于提高接頭強度。斷口掃描結(jié)果表明，接頭屬于韌性斷裂。

關(guān)鍵詞： 釬焊;鋁基復(fù)合材料;XRD;斷口掃描;碳化硅顆粒

中圖分類號：TG 454；TF 82

Study on brazing process of silicon carbide particle reinforced aluminum matrix composites

WU Yejun

（Changzhou Vocational Institute of Engineering， Changzhou 213164， Jiangsu， China）

Abstract： This paper discusses the feasibility of brazing of silicon carbide particle reinforced aluminum matrix composites under argon gas protection. Tests have shown that the use of suitable solder materials， as well as the appropriate soldering temperature， holding time， etc.， can spread the solder on the base material and form a good joint. The joint shear test showed that the joint had the highest shear strength when the brazing temperature was 575 ℃， reaching 90.8 MPa， which was 63.6% of the base metal strength. Through metallographic observation and XRD， it was found that SiC particles were melted into the joint， indicating that the base metal was diffused to the brazing joint， and proper diffusion was beneficial to improve joint strength. Fracture scanning results show that the joint is a ductile fracture.

Key words： "brazing; aluminum matrix composite; XRD; fracture scanning；silicon carbide particle

0 前言鋁基復(fù)合材料具有密度低、比強度和比剛度高，優(yōu)良的耐磨性、良好的導(dǎo)熱性及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，在航空航天和汽車制造等行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景，因而倍受科學(xué)工作者的關(guān)注［1-8］。但鋁基復(fù)合材料焊接工藝和焊接性的研究遠遠落后于其它方面的研究，成為其走向?qū)嵱没膰?yán)重障礙［7-9］。以SiC增強鋁基復(fù)合材料為例，SiC顆粒與基體Al之間的物理性能、化學(xué)成分都存在著很大差異，采用普通熔焊方法，很容易產(chǎn)生疏松、氣孔和夾雜等缺陷，并且SiC和Al容易生成脆性化合物Al4C3［10］。而釬焊具有以下優(yōu)點：（1）釬料熔化，母材不熔化，能在很大程度上避免增強相SiC與基體Al之間發(fā)生界面反應(yīng)生成脆性相Al4C3，可大大提高釬焊接頭的剪切強度；（2）幾乎不消耗母材中的SiC顆粒增強相，在很大程度上保持母材的原有強度。文中以SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料作為研究對象，研究其釬焊的可行性。

1 釬焊工藝試驗

1.1 釬焊方法的選擇

鋁基復(fù)合材料的釬焊一般在氣體保護下或真空下進行，否則母材在釬焊溫度下易被氧化。試驗中采用氬氣保護爐中釬焊的方法，研究其釬焊工藝。

1.2 試驗材料、釬料－釬劑的選擇

試驗采用101Al為研究對象，其熔化溫度為577～610 ℃，其化學(xué)成分見表1，增強相體積分?jǐn)?shù)及力學(xué)性能如表2所示。

試驗采用鋁基釬料HL401，其化學(xué)成分和熔點見表3。HL401的熔點比母材的熔點低50～60 ℃，釬焊過程比較容易控制，不會導(dǎo)致母材晶粒長大、過燒以及局部熔化等，是本試驗較為理想的釬料。選用QJ201釬劑，其化學(xué)成分如表4所示，使用釬劑的目的是去除試樣表面的氧化膜，改善釬料對母材的潤濕性。

1.3 釬焊接頭設(shè)計

試驗不宜采用對接接頭，因為釬焊時釬料熔化后，在重力作用下會向坡口兩邊流動，很難形成可靠的對接接頭；而采用搭接接頭，釬料預(yù)鋪在接頭中，釬焊過程中，釬料熔化后變成液體，可以鋪展搭接區(qū)域，冷卻形成較好的接頭，所以搭接接頭是本試驗較為理想的接頭形式，如圖1所示。焊前對試樣和釬料表面進行嚴(yán)格清洗，具體清洗方法為：首先用粗、細(xì)砂紙去除試樣和釬料表面的氧化膜，再用丙酮溶液清洗表面油污。清洗干凈后，24小時內(nèi)進行釬焊工藝試驗。釬焊試驗在功率為4 kW的SX-10-14型箱式電阻爐中進行。

2 釬焊工藝試驗結(jié)果及分析

2.1 釬焊接頭力學(xué)性能試驗

2.1.1 剪切強度試驗

根據(jù)母材和釬料的熔點，確定本試驗的釬焊溫度為565～580 ℃，每間隔5 ℃設(shè)計一個試驗點。保溫時間定為3 min、5 min、8 min，試驗過程中采用純氬進行保護。在電子萬能試驗機上進行剪切強度試驗，其型號為CMT5105，精度等級0.5級，最大負(fù)荷100 kN。將測得的數(shù)據(jù)作成曲線，得到接頭剪切強度曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)釬焊溫度為565 ℃時，接頭強度很低，只有30 MPa左右，這是因為當(dāng)釬焊溫度為565 ℃時，雖然已經(jīng)高于釬料熔化溫度，但是釬料的流動性和活性較差，釬料未能很好地填滿接頭間隙，形成的接頭質(zhì)量也不高，所以強度很低。溫度不斷上升，釬料的流動性和活性逐漸改善，對母材的潤濕性也越來越好，釬料能夠很好的填滿間隙，冷卻后形成的接頭質(zhì)量高，剪切強度高。釬焊溫度在575 ℃時強度達到了最大值90.8 MPa，為母材強度（145 MPa）的63.6％。

隨著溫度的繼續(xù)升高，接頭的強度迅速降低，這主要是以下三方面的原因：

①釬焊過程中熱影響區(qū)組織晶粒過分長大，降低了熱影響區(qū)母材的強度；

②母材表面開始有輕微的軟化現(xiàn)象，降低了熱影響區(qū)母材的強度；

③發(fā)生了母材向焊料的過度溶解。

從剪切強度試驗可以看出釬焊溫度為575 ℃，保溫時間為5 min時，接頭強度達到最大值90.8 MPa，因此釬焊溫度575 ℃，保溫時間5 min是本試驗比較理想的釬焊工藝參數(shù)。

2.1.2 硬度試驗

接頭顯微硬度值測定是在HXS-1000A型顯微硬度計上進行的。測試條件為：加載載荷100 gf，保載時間15 s。測定方法為從母材到釬縫依次打點，測得點之間的間距約為0.15 mm。將測得的數(shù)據(jù)作成曲線，得到接頭顯微硬度曲線，如圖3。

從圖3可以看出，焊縫區(qū)顯微硬度比母材區(qū)的要高，這是因為母材由鋁基體和增強相顆粒組成，增強相顆粒硬度較高，鋁基體硬度較低，且增強相顆粒體積分?jǐn)?shù)只有20％，而焊縫區(qū)大部分由釬料組成，釬料的強度要高于鋁基體，而且焊縫也有增強相顆粒溶入，因此焊縫區(qū)的硬度要稍高于母材區(qū)，母材區(qū)和焊縫區(qū)硬度較高的點是因為打在了增強相顆粒上。

2.2 釬焊接頭顯微組織觀察

選用10％的HF作為腐蝕液，腐蝕時間5 s，用清水沖洗，再用酒精脫水，然后在金相顯微鏡上觀察。

圖4是母材的金相顯微組織照片。從圖中可以看出光亮區(qū)域是基體鋁，黑色顆粒狀的是SiC顆粒。

圖5是釬焊溫度575 ℃，保溫時間5 min時的焊縫區(qū)域金相顯微組織。左邊灰暗區(qū)域是母材的金相組織，右邊較光亮區(qū)域為釬料的金相組織，從圖5中可以看出，母材與釬料的結(jié)合得很好，熱影響區(qū)的晶粒沒有長大，也沒有氣孔、夾渣和未焊透等焊接缺陷，說明此釬焊接頭質(zhì)量良好，其接頭強度達到了90.8 MPa。

另外釬料和母材組成元素之間存在明顯的互擴散在微熔狀態(tài)，有少量SiC顆粒擴散到釬縫區(qū)中，這對提高焊縫強度有利。

2.3 釬焊接頭XRD試驗

對釬焊接頭進行XRD試驗，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，接頭中含有大量的Al相和少量Si相，同時還存在SiC相。這是因為在釬焊過程中，母材向釬料擴散，母材中的SiC顆粒熔入到了釬縫中。這與金相組織觀察得到的結(jié)論一致。熔入適量的SiC顆粒對提高釬焊接頭的抗剪強度具有重要作用。

2.4 釬焊接頭斷口掃描分析

對接頭試樣拉伸后的斷口區(qū)域進行掃描電鏡觀察分析，在Quanta2000型掃描電鏡上拍攝的斷口掃描電鏡照片，圖7是釬焊溫度575 ℃，保溫時間5 min條件下接頭斷口掃描圖，從圖中可以看出，有部分是韌性斷裂，部分是脆性斷裂，圖8是局部放大圖，可以明顯地看到韌窩。脆性斷裂主要是因為增強相顆粒與增強相顆粒、增強相與基體聯(lián)連接處的弱化，它們的斷裂是脆性斷裂。

3 結(jié)論

（1） SiCp/101Al采用氬氣保護爐中釬焊是可行的。為了保證焊接質(zhì)量，焊前必須對母材和釬料進行嚴(yán)格地清理，釬焊工藝參數(shù)對接頭質(zhì)量有很大的影響。

（2） 接頭剪切強度試驗表明，釬焊溫度和保溫時間是剪切強度的敏感因素。

（3） 通過對釬焊接頭組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)釬焊溫度575 ℃，保溫時間5 min條件下的釬焊接頭組織細(xì)密，未發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾渣和微裂紋等焊接缺陷，剪切強度達到了90.8 MPa。但在釬焊溫度565 ℃，保溫時間5 min條件下的釬焊接頭強度很低。因此，選擇合適的釬焊參數(shù)非常重要。

（4） 通過金相組織觀察和XRD，發(fā)現(xiàn)接頭中熔入了SiC顆粒，說明母材向釬縫發(fā)生了擴散，適量的擴散對提高接頭強度有利。

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收稿日期： 2024-08-13

吳葉君簡介： 1985年出生，副教授，博士，主要從事窄間隙焊接、新材料焊接技術(shù)、數(shù)字化焊接方向的研究。