颗粒增强铝基复合材料扩散焊接研究现状研究现状
颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望
第20卷第1期V o l.20N o.1 硬 质 合 金CE M EN T ED CA RB I D E2003年3月M ar.2003综合评述颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望王基才Ξ 尤显卿 郑玉春 程娟文(合肥工业大学材料学院,合肥,230009)摘 要 从材料的选择、制备技术和性能等方面对颗粒增强金属基复合材料的研究现状进行综合评述。
分析了颗粒增强金属基复合材料发展过程中存在的一些问题及改进措施,指出了颗粒增强金属基复合材料的几个重要发展方向:制备技术的改进、应用范围向特色应用领域的拓宽和再生回收的重视。
关键词 复合材料 碳化物粒子 制备技术 性能 生产应用1 引 言自1965年A Kelly,G J davies和D C ratch ley 等[1]首先总结和提出了金属基复合材料(M etal M atrix Com po sites,简称MM C s)的资料以来, MM C s就以其高的比强度、比刚度及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及成分可设等优点[2-4]吸引了各国学者和科研人员的关注,成为材料研究和开发的热点。
按增强体的形式MM C s可分为连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强等。
由于连续纤维增强的MM C s必须先制成复合丝,工艺成本高而复杂,因此其应用范围有很大的局限性,只应用于少数有特殊性能要求的零件。
颗粒增强金属基复合材料(Particu late R einfo rced M etal M atrix Com po sites,简称PRMM C)是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。
PRMM C具有增强体成本低,微观结构均匀,材料各向同性,可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点[5-8],因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注[9-10]。
2 PRMM C材料的选择基体材料是MM C s的主要组成部分,起着固结增强相、传递和承受各种载荷(力、热、电)的作用。
铝基复合材料的扩散焊接工艺研究及应用
中国高新技术企业文／徐建华１邵娟２霍文国３铝基复合材料的扩散焊接工艺研究及应用【摘要】本文以亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料为对象，研究了直接扩散焊与采用中间层扩散焊两种工艺焊接铝基复合材料的特点、机理，分析了中间层对接头强度的影响规律。
结果表明，在铝基复合材料液、固温度区间，存在“临界温度区域”，在此温度区域进行直接扩散焊接时，通过液相基体金属的浸润，使得在扩散接合面中增强相-增强相接触转化为增强相-基体-增强相的有机结合，获得高质量焊接接头；进一步研究发现，在扩散接合面上采用合适的基体中间层同样可以将增强相-增强相接触转化为增强相-基体-增强相的有机结合，同时增大“临界温度区域”范围，接头性能更加稳定，接头变形量进一步减小（<2%）。
【关键词】铝基复合材料直接扩散焊中间层扩散焊1序言铝基复合材料作为一种新兴材料，由于其具有高比强度、高比模量、耐高温、抗辐射、尺寸稳定性好等优异的综合性能而受到人们的广泛关注并将逐步取代部分传统的金属材料而广泛应用于航空、航天、汽车制造业等领域，成为当今金属基复合材料发展与研究的主流。
然而铝基复合材料的焊接性差，很难形成高强度的焊接接头，成为该种材料走向实用化的严重障碍。
本文以亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料为对象，通过系列试验研究了采用直接扩散焊与基体铝合金作为中间层的扩散焊两种工艺焊接铝基复合材料的特点、机理，分析了中间层对接头性能的影响，探索实现铝基复合材料优质连接的有效工艺。
2试验材料及方法2.1试验材料采用挤压铸造法制备亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料。
增强相Al2O3颗粒平均尺寸为0.4μm，体积比为30%。
该复合材料在扫描电镜下的显微组织见图1，在退火状态下拉伸强度为300MPa。
基体6061Al的化学成分如表1所示。
选取与基体相同成份的6061Al铝箔作为中间层，其厚度介于5-30μm之间。
图1Al2O3p/6061Al铝基复合材料显微组织表16061Al的化学成分（Wt%）2.2试验方法将材料加工5mm×10mm×30mm的尺寸进行对接平焊，扩散焊过程是在10-3Torr的真空室中进行，试件采用电阻法加热，通过热电偶测量温度并使其在焊接中保持恒定，焊接过程见图2。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料
碳化硅颗粒增强铝基复合材料碳化硅颗粒增强铝基复合材料, 是目前普遍公认的最有竞争力的金属基复合材料品种之一。
尽管其力学性能尤其是强度难与连续纤维复合材料相匹敌, 但它却有着极为显著的低成本优势, 而且相比之下制备难度小、制备方法也最为灵活多样, 并可以采用传统的冶金工艺设备进行二次加工, 因此易于实现批量生产。
冷战结束后的20 世纪90 年代, 由于各国对国防工业投资力度的减小, 即使是航空航天等高技术领域, 也越来越难以接受成本居高不下的纤维增强铝基复合材料。
于是, 颗粒增强铝基复合材料又重新得到普遍关注。
特别是最近几年来, 它作为关键性承载构件终于在先进飞机上找到了出路, 且应用前景日趋看好, 进而使得其研究开发工作也再度升温。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料主要由机械加工和热处理再结合其的性质采用一定的方法制造。
如铸造法、粘晶法和液相和固相重叠法等。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料碳化硅和颗粒状的铝复合而成，其中碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成，再和增强颗粒铝复合而成，增强颗粒铝在基体中的分布状态直接影响到铝基复合材料的综合性能,能否使增强颗粒均匀分散在熔液中是能否成功制备铝基复合材料的关键,也是制备颗粒增强铝基复合材料的难点所在。
纳米碳化硅颗粒分布的均匀与否与颗粒的大小、颗粒的密度、添加颗粒的体积分数、熔体的粘度、搅拌的方式和搅拌的速度等因素有关。
纳米颗粒铝的分散的物理方法主要有机械搅拌法、超声波分散法和高能处理法。
对复合材料铸态组织的金相分析表明，碳化硅复合材料挤压棒实物照片颗粒在宏观上分布均匀，但在高倍率下观察，可发其余代表不同粒度、含量的复台材料现SiC颗粒主要分布在树枝问和最后凝固的液相区，同时也有部分SiC颗粒存在于初生晶内部，即被初生晶所吞陷。
从凝固理论分析，颗粒在固液界面前沿的行为与凝固速度、界面前沿的温度梯度及界面能的大小有很大关系，由于对SiC颗粒的预处理有效地改善了它与基体合金的润湿性，且在加入半固态台金浆料之前的预热温度大大低于此时的合金温度，故而部分SiC颗粒就可能直接作为凝固的核心而存在于部分初生晶的内部，但是太多数SiC在枝晶相汇处或最后凝固的液相中富集，这便形成了上述的组织形貌。
颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题20091311
颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题冶金0901班张莹20091311近年来，随着不断追求轻量化、高性能化、长寿命、高效能的发展目标带动牵引了轻质高强多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。
提出的低密度、高比强度、高比模量、低膨胀、高导热、高可靠等优异以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等综合性能要求，传统轻质材料已很难全面满足要求，如铝合金模量低、线胀系数较大; 钛合金密度较大、热导率极低; 纤维增强树脂基复合材料在空间环境下使用易老化等，颗粒增强铝基复合材料经过30 多年的发展，已在国外航空航天领域得到了规模应用，这充分验证了与铝合金、钛合金、纤维树脂基复合材料等传统材料相比具有的显著性能优势，奠定了颗粒增强铝基复合材料在材料体系中的地位和竞争态势。
而且更重要的是，在世界范围内有丰富的铝资源，加之易于进行工艺加工成型和处理，因而制各和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济，易于推广，可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域，因此，这种材料在国内外受到普遍重视。
颗粒增强铝基复合材料已成为当下世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，各国已经相继进入了颗粒增强铝基复台材料的应用开发阶段，在美国和欧洲发达国家，该类复台材料的工业应用已开始，并且被列为二十一世纪新材料应用开发的重要方向并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。
本文旨在探讨颗粒增强铝基复合材料的制备方法及在亟待解决的各方面的问题，推进其应用发展的进程。
主要制备方法介绍：增强体颗粒的分布均匀性和界面结合状况是影响复合材料性能的重要因素。
因此，如何使增强体颗粒均匀分布于铝基体井与铝基体形成良好的界面结台是颗粒增强铝基复台材料制备过程中必须解决的两个最关键问题。
以下是制备颗粒增强铝基复合材料的一些方法：1、原位法原位法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备陶瓷增强金属基复合材料，是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。
颗粒增强铝基复合材料的研究与进展
颗粒 利用 率低
ｌ １
轧 制件
工 艺复 杂 润 湿 性 好 燃 气涡轮 机 ；热 交换机 ；耐 热
增 强体 分布 均匀 元 件；切 削工具
即得 到所需 的复合材料 。用该方法制备 的颗粒与铝基体之 于形状和尺寸都不相同的各种颗粒 ， 对 于颗粒增强铝基 复合材 料的 浇注 ， 间的润湿性好 ， 粒 子分布均匀 ， 且制备设备 简单 ， 成本低 廉 ， 能够大 可设计性有 了很大的提高。 同时 ， 粉末冶金法存在不少独特 的优点 ， 规模生产 。 现在 ， 成熟 的半 固态搅拌铸造法 主要应用于微米级颗粒 ， 制备 的复合材料颗粒分布均匀 、 组织细密 ， 不易出现偏析和偏聚 ； 烧 对 于亚微米级和纳米级颗粒 ， 搅拌铸造法还 比较难控制其在铝液 中 结 温度 比金属 的熔点 低 ， 减 轻了界面之 间的反 应 ， 减少 了化合物 的 此方法金属液处于半 固态 ， 粘度 比较大 ， 易形 生成 ， 提高了产 品的精度 。 在航天领域 ， 英 国航天金属基复合材料公 的均匀分布㈣。同时 ， 成 团聚现象 ， 导致复合材料的相关性能降低 。齐海波等采用半 固态 司（ Ａ ＭＣ ） 采用高能球磨 粉末冶金法成功研 制出碳化硅 颗粒增强 铝 搅拌挤压铸造方法制备出 Ｓ ｉ Ｃ复合材料制动盘 ， 与传统 Ｈ Ｔ ２ ５ ０铸铁 基（ ２ ０ ０ ９ ／ Ｓ ｉ Ｃ ／ １ ５ ｐ ） 复合材 料 ， 用此材料 制造 的直 升机旋翼 系统连 接 该新 型制动盘热膨胀系数更小 、 导热性能更好 、 质量也 用模锻件 已成功应用于欧直公司生产 的新 型直升机旋翼上 。 该材料 制 动盘相 比， 不仅延长 了制动盘 的使用周期 ， 也节约了成本㈣。 与铝合金相 比， 弹性模量提高约 ４ ０ ％， 构建刚度提高约 ３ ０ ％， 寿命提 更轻 ，
先进铝基复合材料研究的新进展
先进铝基复合材料研究的新进展随着科技的快速发展，先进材料的研究与应用越来越受到人们的。
其中，先进铝基复合材料作为一种具有优异性能和广阔应用前景的材料，成为了科研人员和工业界的研究热点。
本文将介绍先进铝基复合材料研究的新进展，包括材料选择、研究方法、研究成果以及未来发展方向等方面。
先进铝基复合材料的研究具有重要意义，它不仅可以提高材料的综合性能，还能满足各种复杂和严苛的应用环境。
特别是在航空、航天、汽车和电子等领域，先进铝基复合材料的需求日益增长，这促使科研人员不断深入研究和探索。
在选择先进铝基复合材料时，需综合考虑材料的性能、成本、制备工艺等因素。
铝基体具有优异的加工性能和良好的导热、导电性能，但其强度和硬度相对较低。
因此，通过添加增强体可以有效地提高铝基复合材料的综合性能。
常见的增强体包括陶瓷颗粒、碳纤维、金属氧化物等。
在选择材料时，需要根据实际应用需求来选择适当的增强体和制备工艺。
先进铝基复合材料的研究方法包括实验设计、工艺优化、材料性能测试等。
实验设计是通过调整材料的组成、结构和制备工艺等因素，优化材料的性能。
工艺优化是通过改进制备工艺，提高材料的制备效率和质量。
材料性能测试是对制备好的材料进行各种性能测试，包括力学、物理和化学性能等。
经过科研人员的不懈努力，先进铝基复合材料的研究取得了许多重要成果。
在制备工艺方面，成功开发出了多种低成本、高效的制备方法，如粉末冶金法、熔融搅拌法、原位合成法等。
这些制备方法不仅能够保证材料的质量和性能，还能降低制备成本，提高生产效率。
在性能特点方面，先进铝基复合材料具有优异的力学性能，如高强度、高硬度、良好的韧性和抗疲劳性等。
它们还具有优异的导电、导热、耐腐蚀和抗辐射等性能。
这些优良的性能使得先进铝基复合材料在各种复杂和严苛的应用环境中表现出色。
在应用前景方面，先进铝基复合材料在航空、航天、汽车、电子、能源等领域展现出了广阔的应用前景。
例如，在航空航天领域，先进铝基复合材料可以用于制造轻质高强度的结构件和功能件；在汽车领域，它们可以用于制造轻量化、高强度的零部件，从而提高汽车的动力性和燃油经济性；在电子领域，它们可以用于制造高效散热器、电路板等关键部件，从而提高电子设备的性能和可靠性。
颗粒增强铝基复合材料的研究现状
颗粒增强铝基复合材料的研究现状杨佳;曹风江;谭建波【摘要】复合材料是一种重要的工程材料,具有优异的力学性能.颗粒增强铝基复合材料是众所周知的复合材料之一,具有优异的性能,如高强度、硬度、刚度、耐磨性和耐疲劳性,因此成为了20世纪最具有发展前途的材料之一.本文综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状,从基体、增强颗粒的选择,复合材料的制备方法、影响复合材料制备的因素及解决方法等方面进行了详细阐述,并且针对目前面对的问题,提出了以后的发展方向.【期刊名称】《铸造设备与工艺》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】5页(P69-72,78)【关键词】铝基复合材料;基体;增强颗粒;制备方法;润湿性【作者】杨佳;曹风江;谭建波【作者单位】河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄050018;沧州职业技术学院,河北沧州061000;河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄050018【正文语种】中文【中图分类】TB333复合材料是将两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法在宏观或微观上复合而成的具有优良性能的新材料，新材料具有组成材料的互补性能[l]。
根据复合材料的基体不同，复合材料可以分为：陶瓷基复合材料、金属基复合材料和树脂基复合材料[l]。
根据复合材料的增强相不同可分为：颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料[l]。
其中颗粒增强铝基复合材料是2l世纪最具有发展前途的先进材料之一。
该种复合材料具有高比强度、高比刚度、高比模量、低密度以及良好的高温性能，并且颗粒增强铝基复合材料耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低、导热性能良好[2～4]。
与纤维增强铝基复合材料相比，颗粒增强铝基复合材料价格低，并且各向同性、克服了纤维损伤、微观组织不均匀和纤维与纤维接触反应带大等问题[5]。
目前常用的颗粒增强铝基复合材料的基体有纯铝和铝合金[l]，常用的增强颗粒有 SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、B4C、石墨等[6，7]。
颗粒增强铝基复合材料扩散连接研究进展
度 受 钎 料 限 制 一 般较 低 ， 此 扩 散 连 接 被 认 为是 获 得 高 质 量 接 头 较 为 理 想 的 连 接 方 法 。 本 文 较 系 统 地 因
且 制 造 方 法 简 单 、 造 成 本 低 、 于 实 现 工 业 化 大 批 量 生 产 等 优 点 ， 航 空 、 天 及 汽 车 等 工 业 领域 具 有 制 宜 在 航 广 泛 的 应 用 前 景 ［ ２。 但 又 由 于 颗粒 增 强 铝 基 复 合 材 料 的 焊 （ ） 性 差 ， 以 形 成 高 质 量 的 焊 （ ） Ｉ］ ＇ 连 接 难 连 接
收 稿 日期 ：０ ２０ —８ ２ ０ ． ｌｌ
基 金 项 目 ： 育 部 高 等 学 校 骨 干 教 师 资 助 计划 项 目 ； 家 留 学 基 金 资 助 项 目 教 国
作 者 简 介 ： 一 （９ ９一） 女 ， 庆 忠 县 人 ， 刘 红 １６ ， 币 占林 大 学 讲 师 ， 职 博 士 研 究 生 。 在
强 相一 体 合 金 （ － ） 基 Ｐ Ｍ 和基 体 合 金 一 体 合 金 （ Ｍ ） 如 图 ｌ所 示 。 由 于 增 强 相 主 要 为 ＳＣ 和 Ａｌ ） ， 基 Ｍ． ， ｉ ２ ３ 所 （
以 ３种 结 合 形 式 的结 合 强 度 依 次 为 Ｍ－ 、 — 、 － 后 两 者 为 弱 结 合 ， － 结 合 强 度 最 低 。 Ｐ Ｍ 和 Ｐ Ｍ Ｐ Ｍ Ｐ Ｐ， ＰＰ － —
综 述 了 近 年 来 国 内外 颗 粒 增 强 铝基 复 合 材 料 扩 散 连 接 的 研 究 进 展 ， 论 了 固 相 扩 散 连 接 和 液 相 扩 散 连 讨 接 的 优 、 点 ， 目的 旨在 探 求 获 得 高 质 量 接 头 的途 径 。 缺 其
检索报告实例
４）试检过程 (3)选择检索途径 由于从题名（篇名）途 径检索最易切题的，根据最专指的字段优 先原则，优先选择篇名字段进行试检。
(4)输入检索词并执行检索：输入检索式， 匹配选择“精确”，如图１所示。
(5)点击“检索文献”按键执行检索后，得 到如图２所示结果。
检索结果偏少
５）调整检索策略 检索策略的调整（扩检），可以 通过增加数据库、关键词字段、更改匹配方式、变更 期刊范围、年限时段等方式进行，本次检索只在CNKI 数据库中进行，所以本次调整从以下几个方面入手：
检索报告实例
实习报告
查找 “近年来关于SiC颗粒增强铝基复合材料的连 接方法的研究现状”方面的文献（包括中外文献） 要求：使用中外文数据库各一个进行检索。 中文数据库（CNKI，维普任选） 外文数据库（EI，SCI，IEL，ACM任选）
检索实例
检索课题：
近年来关于SiC颗粒增强铝基 复合材料的连接方法的研究现状
（１）增加关键词字段，检索字段选“篇名、关键 词、摘要”，也就是“主题”字段。 （２）概念扩展，调整检索式 通过对检索课题进 一步分析得知：“SiC” 的中文名是“碳化硅”，铝的 化学名称为Al,连接方法的下位词主要有：焊接、钎焊、 扩散焊、熔接焊等，把这些词补充到检索式中，新的 检索式是：“（SiC＋碳化硅）and （铝基＋Al）and 复合材料 and (连接＋焊接＋钎焊＋熔接焊＋摩擦 焊)”。
３）编辑检索式 由于SiC、铝基、复合材料、连接之间 的逻辑关系为“并且”（and）,因此，得 以下检索式：“SiC and 铝基 and 复合材 料”
４）试检过程
(1)选择检索方法：在《中国学术期刊网络出版总 库》提供的8种检索方法（快速检索、标准检索、 专业检索、作者发文检索、科研基金检索、句子 检索、来源期刊检索、导航检索）中，标准检索 比较适于本课题的检索需要，所以本次检索选择 “标准检索”方法。 (2)选择检索范围：选择学科领域：本检索课题属 于“工程”类，因此勾选“工程科技I”和“工程 科技II”两类，期刊范围选“核心期刊”，年限选 “2005”到“2010” 。
原位TiB2颗粒增强ZL205铝基复合材料组织控制
原位 TiB2颗粒增强 ZL205 铝基复合材料组织控制摘要：通过混合盐反应内生的方法在ZL205铝合金基体中引入TiB2颗粒增强相，研究了TiB2颗粒增强ZL205复合材料铸态和热处理态的显微组织。
研究表明：TiB2颗粒增强ZL205复合材料基本相组成为α-Al相、CuAl2相及TiB2颗粒。
TiB2颗粒内生，改善了二者间的润湿性，促进分散，同时将颗粒增强体尺寸控制在1μm以下。
复合材料坯体挤压，利用晶粒之间的滑动促进颗粒分散，挤压后再进行热处理，促进了颗粒的进一步分散，TiB2颗粒团聚得到改善。
关键词：铝基复合材料；原位生成；微观组织引言金属基复合材料由于膨胀系数低、比刚比强度高等特点，在车辆载具、飞行器和3C电子等行业具有广阔应用前景，其中，颗粒增强铝基复合材料由于具有较低的原材料价格、良好的微观结构、稳定的各向同性性能、简单的制备加工过程等优点，是铝基复材的重要研究热点之一[1-2]。
TiB2颗粒作为增强体在铝基复合材料中备受关注，其具有熔点高、弹性模量高、强度硬度高，以及良好的导热、导电、腐蚀抗性等特点，目前被认为是理想的增强体，再者，TiB2颗粒原位生成具有粒径小、呈等轴状、表面洁净、界面稳定、润湿性好等特性，可提升铝基体的力学性能，已得到广泛的研究报道[3-4]。
Kumar S等人[5]发现，原位合成TiB2/Al7Si复合材料的弹性模量相比母材合金有明显提高。
Han等人[6]通过原位反应法制备TiB2/Al-Si合金复合材料，显著改善了增强相在基体中分布情况。
Wang等人[8]通过改良熔盐法，制备出TiB2/Al复合材料并研究了Ti、B元素收得率。
王浩伟等人[3]通过研究复合材料性能与增强颗粒尺寸、分布均匀性、体积分数等因素的关系，获得复材屈服强度与增强颗粒体积分数关联模型。
目前原位TiB2增强铝基复合材料的研究工作主要聚焦在材料的制备方法及室温力学性能上，基体材料则多为Al-Si系铝合金，较少报道ZL205为代表的Al-Cu系高性能铝合金材料的显微组织和高温力学性能的研究。
SiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究
SiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究杨雅静;李付国;袁战伟【摘要】SiC颗粒的加入使SiC增强铝基复合材料拥有了优异的综合性能,从而成为具有广泛使用价值的先进复合材料.本文综述了SiC颗粒增强铝基复合材料的第二相特征及其对使用性能的影响规律.特别是对近年来倍受关注的SiC颗粒形状、尺寸、体积分数、颗粒分布和界面特征等对复合材料宏、微观性能的影响进行了详细论述.%The second phase characteristics of Silicon carbide particles reinforced Al matrix composites and its influence law on the performance have been overviewed in the text. The influence of silicon carbide particle factors, including particle shape, particle size, volume fraction, particles distribution and interface characteristics between particjle and matrix, on macro and micro performance of matrix composites have been expounded in detail.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】7页(P82-88)【关键词】复合材料;SiCp/Al;性能;综述【作者】杨雅静;李付国;袁战伟【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+11 前言SiCp/Al基复合材料由于具有高比强度、高刚度、耐疲劳、耐磨损、热膨胀系数低、优良的尺寸稳定性、较强的可设计性等优异的综合性能，已成为具有广泛使用价值的先进复合材料。
铝基复合材料钎焊与扩散焊
School of Materials Science and Engineering
HPU
1 增强相与金属合金的润湿机理
为了改善陶瓷表面的润湿性，常采用如下两种方法： （1）陶瓷表面的金属化处理，蒸镀、喷溅、离子注入等 （2）活性金属化法，在钎料中加入活性元素，使陶瓷表 面分解形成新相，产生化学吸附，形成结合牢固的陶瓷 与金属结合界面。常用的活性元素是过渡族金属，如Ti 、Zr、Hf、Nb和Ta等，具有较强的活性。 1.2 活性金属/陶瓷润湿机理 国内外对金属/陶瓷体系的润湿性进行了大量研究， 根据固/液界面结合的情况，可以将润湿过程分为反应性 润湿和非反应性润湿[20]。铝基复合材料焊接时，通过控 制固/液界面的压力、温度以及加入活性元素，对界面反 应有很大的影响，是改善润湿性的有效方法。
2110 / / 011 MgAl2O4 SiC
School of Materials Science and Engineering
HPU
图2 SiCp/Al-Si-Mg-Zn无压浸渗SiC表面MgAl2O4形貌
（1）界面反应 通过冶金和工艺方面的措施解决： 1)冶金措施 加入活性比基体金属更强的元素或能阻止界面反应的 元素。例如，加入Ti可以取代铝与碳化硅的反应。提高基体中Si的 含量可抑制AI与SiC的反应。 2）改善焊接工艺 通过控制加热温度和焊接时间来避免或限制界面反应的发生。如 钎焊时，由于温度较低，基体不熔化，加上钎料金属的阻止作用， 不易引起界面反应。
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碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状
精密成形工程第15卷第12期表面改性技术研究现状甘国强1，韩震2，鲍建华1，WOLFGANG Pantleon3（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波 315000；3.丹麦技术大学，哥本哈根 2800）摘要：SiC颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐磨性及较好的高温稳定性而被广泛应用于航空航天、电子、医疗等领域，但由于SiC颗粒高熔点、高硬度的特点以及SiC颗粒与铝基体间存在界面反应，碳化硅铝基复合材料存在加工性差、界面结合力不足等问题，已无法满足航天等领域对材料性能更高的要求，因此开展如何改善基体与颗粒之间界面情况的研究对进一步提升复合材料综合性能具有重要的科学意义。
结合国内外现有研究成果，总结了SiC颗粒与铝基体界面强化机制、界面反应特点、表面改性技术原理及数值建模的发展现状，结果表明，现有经单一表面改性方法处理后的增强颗粒对铝基复合材料性能的提升程度有限，因此如何采用新的手段使复合材料性能进一步提升将成为后续研究热点，且基于有限元数值模拟方法进行复合材料设计也是必然趋势。
最后针对单一强化性能提升有限的问题，提出了基于表面改性的柔性颗粒多模式强化方法，同时针对现有的技术难点展望了后续的研究方向，以期为颗粒增强复合材料的制备提供理论参考。
关键词：碳化硅颗粒；表面改性；复合材料；模拟；界面DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.008中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)012-0058-10Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon CarbideParticle Reinforced Aluminum Matrix CompositesGAN Guo-qiang1, HAN Zhen2, BAO Jian-hua1, WOLFGANG Pantleon3(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science, Zhejiang Ningbo 315000, China;3. Technical University of Denmark, Copenhagen 2800, Denmark)ABSTRACT: SiC particle reinforced aluminum matrix composites are widely used in aerospace, electronics, medical and other fields due to their excellent properties such as high specific strength, high specific stiffness, high wear resistance, and high tem-perature stability. However, due to the high melting point and high hardness of SiC particles, as well as the interface reaction between silicon carbide reinforced particles and aluminum matrix, SiC aluminum matrix composites have problems such as poor收稿日期：2023-09-03Received：2023-09-03基金项目：安徽省重点研究与开发计划（JZ2022AKKG0100）Fund：Anhui Provincial Key Research and Development Project (JZ2022AKKG0100)引文格式：甘国强, 韩震, 鲍建华, 等. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 58-67.GAN Guo-qiang, HAN Zhen, BAO Jian-hua, et al. Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon第15卷 第12期 甘国强，等：碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状59processability and insufficient interfacial adhesion. It is no longer possible to meet the requirements for material performance in fields such as national defense and aerospace. Therefore, studying the ways to improve the interface between particles and ma-trix is of great scientific significance for improving the comprehensive performance of composite materials. In combination with existing research results at home and abroad, the interface strengthening mechanism, interface reaction characteristics, existing surface modification technology principles and numerical simulation development status of SiC reinforced particles and alumi-num matrix composites were summarized. The results showed that the performance improvement of reinforced particle alumi-num matrix composites after strengthening was limited after being treated with a single surface modification method. Therefore, how to adopt new methods to improve the performance of composite materials will become a hot research topic in the future, and the design of composite materials based on finite element numerical simulation methods is also an inevitable trend. Finally, in response to the limited improvement of single strengthening performance, the author proposes a flexible particle multimodal strengthening method based on surface modification, and looks forward to future research directions in response to existing technical difficulties, hoping to provide theoretical reference for the preparation of particle reinforced composite materials. KEY WORDS: SiCp; surface modification; composite material; simulation; interface碳化硅颗粒增强铝基复合材料是以碳化硅颗粒（SiCp ）作为增强相，以铝或铝合金作为基体的一种复合材料，因具有密度和价格成本低、高温性能良好、耐腐蚀耐磨及比强度和比弹性模量高等特点，已成为热门的新型结构材料之一，现已广泛应用于航空航天、电子、汽车及体育等多个领域，如汽车刹车盘、发动机缸体活塞等结构件中。
铝基复合材料的研究进展(或现状)
铝基复合材料的研究进展（或现状）姓名：苑光昊摘要：本文介绍了铝基复合材料的设计与制备、性能、应用，重点讲述了国内外的研究现状和发展趋势。
关键词：设计与制备性能应用研究现状及发展复合材料是应现代科学发展需求而涌现出具有强大生命力的材料，在金属基复合材料中表现尤为明显。
金属基复合材料有铝基、镍基、镁基、抬基、铁基复合材料等多种，其中铝基复合材料发展最快而成为主流。
本文主要对国内外铝及复合材料的研究现状进行简要评述，主要包括材料的设计与制备、界面、性能、应用等方面。
一、铝基复合材料的设计与制备1基体材料的选择铝基复合材料的基体可以是纯铝也可以是铝合金，其中采用铝合金居多。
工业上常采用的铝合金基体有Al-Mg、Al-Si、Al-Cu、Al-Li 和Al-Fe等。
如希望减轻构件质量并提高刚度，可以采用Al-Li合金做基体【1】；用高温的零部件则采用Al-Fe合金做基体【2】；经过处理后的Al-Cu合金强度高、且有非常好的塑性、韧性和抗蚀性、易焊接、易加工，可考虑作这些要求高的基体【3】。
材料的使用要求是选用基体金属材料的首要条件，如要求材料具有良好的耐磨性、耐热性及低的膨胀系数时（活塞材料），选择基体为Al-Si合金；为进一步减轻零部件的重量，可考虑选用Al-Li合金作为基体；为了提高材料的高性能，可选用Al-Fe系合金。
2铝基复合材料增强体选择针对材料的具体应用，增强体首先具有明显提高金属基体应具备的特殊性能，如作为结构材料时，增强体应具有高强度、高弹性模量、低密度等性能。
而作为耐磨材料时，硬度、耐磨性是主要选择依据。
由于金属基体有良好的浸润性可保证增强体与基体金属良好复合和均匀分布B、Al2O3、Si、和C纤维等是最早的纤维材料，该材料的性能优异，但高昂的成本限制了它们的广泛发展及应用。
但在航空及军事等方面有研究应用潜力。
根据增强体的形态可将其分为纤维、颗料、晶须三种类型，也有采用金属丝作为铝基复合材料的增强体，但采用极少。
陶瓷颗粒增强铝基复合材料制备工艺研究进展
3、界面强化：陶瓷颗粒和铝基体之间的界面可以有效地限制裂纹的扩展， 提高材料的韧性。此外，合适的界面厚度和化学组成可以实现陶瓷颗粒和铝基体 的相容性，从而提高复合材料的综合性能。
参考内容
陶瓷颗粒增强金属基复合材料是一种具有优异性能的材料，其结合了陶瓷颗 粒的高强度和金属的优良塑性，受到了广泛的研究。本次演示将介绍陶瓷颗粒增 强金属基复合材料的研究进展，包括研究现状、研究方法、研究成果和不足等方 面。
制备工艺
陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备工艺主要包括以下步骤： 1、原材料选择：根据需求选择合适的陶瓷颗粒和铝基体原材料。
2、混制工艺：将陶瓷颗粒和铝基体原材料混合均匀，以实现颗粒在铝基体 中的均匀分布。
3、成型工艺：将混合均匀的原材料通过一定手段成型为所需形状，如注射 成型、压铸成型等。
4、热处理工艺：在一定温度和时间内对成型后的复合材料进行热处理，以 实现材料的高性能化。
4、热处理工艺：在一定温度和 时间内对成型后的复合材料进行 热处理
1、位错强化：陶瓷颗粒在铝基体中均匀分布时，会阻碍铝基体中位错的运 动，从而提高复合材料的强度和硬度。
2、弥散强化：陶瓷颗粒在铝基体中作为第二相粒子，可以阻碍位错运动， 提高材料的硬度。同时，陶瓷颗粒还可以有效地降低残余应力，提高材料的可靠 性。
参考内容二
粉末冶金技术由于其独特的优势，已成为制备颗粒增强铝基复合材料的重要 方法。通过选择合适的原材料、制备工艺和固结方式，可以显著提高铝基复合材 料的性能。本次演示将详细介绍粉末冶金颗粒增强铝基复合材料的制备及研究进 展。
一、粉末冶金颗粒增强铝基复合 材料的研究背景和意义
随着科技的不断进步，铝基复合材料因其轻质、高强、耐腐蚀等优点而在众 多领域得到广泛应用。其中，粉末冶金技术作为一种制备颗粒增强铝基复合材料 的有效手段，在提高材料性能、降低成本等方面具有显著优势。然而，粉末冶金 颗粒增强铝基复
高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料的超声波钎焊
图 １ 超声 波 钎 焊 过 程 示 意 罔
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加 热 装 嚣
试 验采 用 无 压 渗 透 法 制 备 的 ｓｃ．Ａ ５ ｉ。 ３ ６复 合 材 ／
料 ，ｉ ＳＣ颗 粒 的体 积分 数 为 ５ ％ ， ５ 南平均 尺 寸 为 ｌ ｍ ５
高体 积分数 ＳＣ颗 粒增 强 的铝 基 复合 材 料 Ｆ 于具 ｉ ｝ １ 有较低 的热膨胀 系数 、 的热 传 导率 及 高 的 比强度 ， 高 在 电子封装及 航空工 业 等领 域倍 受 关 注 ＿ 。采 用 电弧 焊 ｌ 或激光焊 等熔焊方 法 来连 接 高体 积分 数 ＳＣ颗 粒增 强 ｉ 的铝基 复合材料 时主要 问题 是其 焊接 性 很差 － ３。复 合 材料熔 化后粘度很 高 ， 动性 较差 ， 流 不易 与填 充 金属 混
合， 焊缝很 难成形 。一些方 法 如反 应钎 焊 、 扩散 焊 和瞬间液相 扩散焊 ’ 已经 成功地 连接 了体 积 分数 低 于 ３ ％颗 粒增强 的铝基 复 合材 料 。然而 这些 过 程都 需 要 ０ 在真空炉 中进 行 ， 件 形状 尺寸 受 到 限 制 。钎 焊 方法 焊 比较 灵活方便 ’ 但是空 气炉 中钎 焊铝 基 复合材 料 时 ， 需要使 用钎剂 辅助去 除氧化 膜 ， 并且 当 ＳＣ增 强相体 积 ｉ 分数较 高时 ， 论钎 剂钎 焊或 者真 空钎 焊 ， 态钎 料对 无 液 复合 材料表 面的 陶瓷颗粒 润 湿都 非 常 困难 。使用 超声 波辅 助钎焊工 艺既可 以在 大气 条件 下 不使 用钎 剂 去 除 铝合金 表面 的氧化膜 ， 又能促 进 ｚ ｎ—Ａ 合 金对 陶瓷 的 ｌ
Hale Waihona Puke 性 能 ， 焊 接 过 程 中采 Ｊ 了 ｚ 在 ｝ ｊ ｎ—Ａ 钎 料 ， 究 结 果 表 明 ， ｌ 研 当超 声 波 作 用 时 间 为 ０ ５Ｓ ， 钎 料 与 复 合 材 料 界 面 处 ． 时 在 大 部 分 位置 氧化 膜 仍 然 连续 。 当超 声 波 作 用 时 间 增 加 到 ５Ｓ ， 接 接 头 区域 的 氧 化膜 完 全 消 失 ， 一 些 铝 枝 晶从 时 焊 有 母材向 ｚ ｎ—Ａ 合 金 中生 长 ， ｚ Ａ 合 金 能 够 完 全 润 湿 复 合 材 料 基 体 合 金 ， 成 良 好 的 冶 金 结 合 。并 且 随 着 超 ｌ 使 ｎ— ｌ 形 声 振 动 时 间 的延 长 ， 态 ｚ Ａ 合 金 能 够逐 渐润 湿 复 合 材 料 表 面 裸 露 的 Ｓ 液 ｎ— ｌ ｉ 强 相 颗 粒 ， 头 的 剪切 强度 由 ０ ５Ｓ Ｃ增 接 ． 的 ５ ． ａ 加 到 ５Ｓ １５ ６Ｍ ａ 和母 材 的剪 切 强 度 接 近 （ ５ ． ４３ＭＰ 增 的 ５ ． Ｐ ， １９ ９～１８ １ＭＰ ） ７． ａ。
铝基复合材料的发展现状及应用
3、复合增韧
复合增韧即采用不同方法协同增韧Al2O3 陶瓷, 常见的复合方式有延性颗粒与ZrO2 相变、异相颗 粒、ZrO2 相变与晶须等。并非任意增韧方式的复 合都能使Al2O3 陶瓷材料的韧性和强度同时提升。 复合增韧可实现集高韧与高强于一身的理想Al2O3 陶瓷基复合材料。
参考文献
1 李荣久. 陶瓷金属复合材料[M]. 北京: 冶金工业出版 社, 2004.369-377. 2 布莱恩哈里斯. 工程复合材料[M]. 陈祥宝, 张宝艳, 译. 北京:化学工业出版社, 2004. 141-149. 3 黄传真, 刘炳强, 刘含莲, 等. 原位生长碳氮化钛晶须 增韧氧化铝基陶瓷刀具材料粉末及制备工艺[P]. 中国: CN101054290, 20071017. 4 钟长荣, 毕松, 苏勋家, 等. A12O3 陶瓷自增韧研究进 展[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2007, 12(4): 193-196. 5 周玉. 陶瓷材料学[M]. 北京: 科学出版社, 2004. 128-235. 6 葛启录. Al2O3ZrO2 陶瓷材料的显微结构和力学性能 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 1992.
1、 颗粒增强铝基复合材料的组分
颗粒增强铝基复合材料的组分包括基体和增强体。
基体的作用是: 固结增强体、传递和承受载荷、赋予 复合材料以特定的形状。基体是颗粒增强铝基复合材料的 主要承载组分。一般选用高强度的铝合金作基体。 根据软硬程度, 颗粒增强体可分为两种。一种是硬质 的陶瓷颗粒, 这种复合材料主要用于制作航空航天领域的 结构件、电子壳体、汽车发动机和其它零部件。另一种是 软质颗粒, 如石墨。主要用于制作发动机的缸套、轴瓦和 机座。
3、纤维增强铝基复合材料的制备 1）扩散连接法 2）粉末冶金法
铝基材料的研究与应用
铝基材料的研究与应用铝合金是一种常见的轻金属材料，因其良好的强度、耐热性以及优良的抗腐蚀性而受到广泛的应用。
近年来，随着技术的不断发展，铝基材料的应用领域越来越广泛。
本文将从铝基材料的研究与应用两个方面探讨其发展趋势。
一、铝基材料的研究（一）现状分析目前，铝基材料的应用领域较为广泛，如航空航天、汽车制造、建筑等。
其中，由于航空航天行业对材料强度、韧性要求较高，因此航空航天领域对铝基材料评价标准更加严格。
对比国外市场，我国在铝基材料的研究方面还有很大的提升空间。
在研发中，需要注重注重材料的自主知识产权和技术革新。
（二）未来趋势1.高强铝合金高强铝合金主要应用于高速列车、航天器、航空航天器等领域，这些领域对材料的强度和塑性的要求非常高。
未来，高强铝合金的重点研究方向主要是实现更高的强度和更好的热处理稳定性。
2.铝合金复合材料铝合金复合材料是一种新型的复合材料，由于其高强度、低密度、耐腐蚀等优点，其应用前景广阔。
未来，铝合金复合材料的研究重点是实现材料的高性能和低成本。
3.高温铝合金高温铝合金主要应用于航空航天、火箭发射、航空引擎等领域，这些领域对材料的能够承受高温环境的能力很强。
未来，高温铝合金的重点研究方向主要是提高其高温性能和高温下的稳定性。
二、铝基材料的应用（一）现状分析目前，铝基材料的应用范围越来越广，主要应用于汽车、飞机、建筑等领域。
随着人们对轻量化需求的不断增加，铝基材料的应用前景非常广阔。
在建筑领域，铝合金的应用主要集中在门窗、隔断和幕墙等领域。
在汽车制造领域，铝合金广泛运用于车门、车顶、车身等部位。
（二）未来趋势1.运用更广随着轻量化产业的快速发展，铝基材料作为重要的轻量化材料之一，其应用领域将越来越广泛。
未来，铝基材料的应用将不仅限于传统领域，还将应用于新领域。
2.涉及更多行业未来，铝基材料不仅将会被应用于传统的航空航天、船舶、汽车等行业，更多新领域也会将铝基材料作为材料首选。
随着中央空调、光伏、电力设备等领域的不断发展，铝基材料的应用也会随之增加。
铝基复合材料国内外技术水平及应用状况
铝基复合材料国内外技术水平及应用状况1 铝基复合材料种类和制备方法按照不同的增强体，铝基复合材料分为纤维增强和颗粒（直径在0.5——100μm之间的等轴晶粒）增强、晶须增强铝基复合材料。
常用的增强颗粒主要包括SiC、Si3N4、Al2O3、TiC、TiB2、A1N、B4C以及石墨颗粒或者金属颗粒等。
常见的几种铝基复合材料的制备工艺有粉末冶金法、压力浸渗工艺、反应自生成法、高能高速固结工艺、半固态搅拌复合制造、喷射沉积法、搅拌摩擦加工法及球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料等。
TiB2/A1复合材料的制备方法较多，主要有喷射沉积法、LSM、XDTM、挤压铸造、接触反应法、自蔓延高温合成法和反应机械合金化及粉末冶金法等。
常见的几种铝基复合材料的制备工艺，如表1所示。
2 铝基复合材料国内外技术发展水平2.1 国外铝基复合材料技术发展水平铝基复合材料的研究开始于20世纪50年代，近20年来无论从理论上还是技术上都取得了较大进步。
各国在研发上都投入了大量的人力物力，它是金属基复合材料中被研究多的和主要的复合材料。
目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/A1、Al2O3/Al等，其中，B/Al复合材料发展快，目前美国能制造2m以上的各种B/Al 型材、管材等，这些材料用于航空器上，可使质量减轻20%。
铝基复合材料已经广泛用于制造歼灭机、直升机等大飞机的机翼、方向舵、襟翼、机身及蒙皮等部件。
美国麦道公司在F-15战斗机上使用1.8——2.25t纤维增强铝基复合材料（FRM），使战斗机质量减轻2%。
前苏联航空材料研究所把硼纤维增强铝基复合材料用于安-28、安-72型飞机机体结构上，在提高可靠性的同时，零件质量减轻25%——40%。
但长期以来，由于铝基复合材料还存在着制备工艺复杂，对环境和设备要求严格，成本很高等缺点，因此，其应用还不普遍。
采用粉末冶金生产颗粒增强铝基复合材料的厂家主要有3大公司：美国的DWA Aluminum Composite、Alyn公司和英国的Aerospace Metal Composites（AMC）公司。
铝合金焊接技术的研究现状及发展趋势
铝合金焊接技术的研究现状及发展趋势发布时间：2022-11-08T07:23:33.659Z 来源：《福光技术》2022年22期作者：袁江[导读] 铝合金具有较高的比强度、良好的耐蚀性，并且材料品种覆盖范围大，是优良的轻质结构材料，在汽车、轨道交通、航空航天及船舶等行业获得广泛应用。
新疆乌鲁木齐石化公司检维修中心维修二车间新疆乌鲁木齐 830019摘要：长期以来，铝合金激光焊接是科研院所和企业持续进行技术研究和应用的难点和热点领域，随着市场对结构轻量化需求的持续增长，以及国产高功率激光器、激光头产品逐渐发展成熟，激光焊接系统成本呈现下降趋势。
在此背景下，限制铝合金激光焊接应用扩大的关键瓶颈将由成本投入向焊接工艺转变，突破新型/难焊铝合金材料、以及厚板复杂结构在特定应用场合的激光焊接工艺将成为铝合金激光焊接技术的发展趋势和应用增长的动力源泉。
关键词：铝合金；激光焊接；焊接工艺；应用铝合金具有较高的比强度、良好的耐蚀性，并且材料品种覆盖范围大，是优良的轻质结构材料，在汽车、轨道交通、航空航天及船舶等行业获得广泛应用。
近年来，激光焊接作为高效率、低热输入、高柔性的高质量连接技术在国内市场获得越来越多的关注和应用。
铝合金激光焊接技术的应用和发展主要受到三方面因素的影响：一是铝合金材料的发展，材料的焊接性与满足应用条件的强塑性、耐蚀性等性能提升；二是激光焊接工艺研究与焊接质量评估的成熟度；三是激光焊接设备，包括激光器的快速发展，以及激光束的输出形式、调控方式的多样化等。
在上述基础上，针对不同行业、场景的应用需求，可供选择与搭配的激光焊接系统在成本和工艺上更具有灵活性和适用性。
1 铝合金焊接技术的研究现状1.1 传统焊接技术铝合金的传统焊接技术包括TIG焊、MIG焊、等离子弧焊等。
这些技术的焊接工艺已经比较成熟，现阶段的研究重点在于改善与创新。
1998年由肯塔基大学的机器人及制造系统中心和美国国家科技基金资助而研制的双焊枪TIG焊，可以不用填充焊丝，并能增加熔深；芬兰Kemppi公司2001年在市场上推出的一款全数字化脉冲（double pulse）MIG焊机Kemppi pro Evolution，使得送丝速度与脉冲频率相适应从而提高焊接质量；美国航空航天管理局（NANA）对变极性进行了大量的研究，成功研制了以变极性等离子弧焊工艺（VPPAW）为核心的焊接技术和相应的设备，并成功地实现了厚板铝合金构件的焊接。
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颗粒增强铝基复合材料扩散焊接研究现状(重庆工学院材料科学与工程学院,重庆400050)摘要:论述了颗粒增强铝基复合材料扩散连接的研究进展,讨论了固相扩散连接和瞬间液相扩散连接中的一些关键问题,提出了相应的解决途径。
关键词:铝基复合材料;扩散连接;界面反应;颗粒偏聚Progress in Diffusion Bonding of Particulate Reinforced Aluminium Matrix CompositesXU Huibin,WU Guangfeng,LUO Yi,LI Chuntian,YE Hong(School of Materials Science and Engineering,Chongqing Institute of Technology,Chongqing 400050,China)Abstract:The present progress in diffusion bonding of particulate reinforced aluminum matrix composites is reviewed.Some key problems of solid phase diffusion bonding and TLP bonding are discussed.And the solution to the problems is pointed out.Key words:aluminum matrix composites;diffusion bonding;interface reaction;particulate segregation目前国内外对铝基复合材料的焊接研究和应用比较多的集中在熔焊[1-2]、摩擦焊[3-4]、钎焊[5-6]、固相扩散焊[7-14]和瞬间液相扩散焊[15-21]等方面。
铝基复合材料的熔焊,由于在连接过程中易产生颗粒与Al基体的界面反应生成Al4C3脆性相,使接头性能下降,从而限制该方法的应用。
铝基复合材料的摩擦焊,通常可以避免SiC与Al基体的界面反应,并且可获得较高的强度,但其连接中的大变形和对焊件形状的限制,使之无法成为一种比较通用的方法。
铝基复合材料的钎焊,由于连接温度较低可以避免上述界面反应,但由于较低的接头强度限制该方法的应用。
正是由于以上方法的不足,扩散焊凭借其小变形、无界面反应和较高的连接强度,而越来越受到大家的重视。
1固相扩散焊固相扩散焊是一种新颖的焊接技术,它使两个被焊接的零件的配合表面在高温和加压的条件下引起聚结的固态连接方法[7]。
该方法焊接温度低、压力小,对增强相的破坏小,还可以避免界面反应。
许多研究表明,在铝基复合材料焊接中扩散焊是非常有前途的。
然而,在用扩散焊焊接铝基复合材料时遇到了与焊接铝时同样的困难。
铝基复合材料扩散焊存在以下主要问题:(1)铝基复合材料表面有一层致密的氧化膜,它严重阻碍两个连接表面之间的扩散结合。
用机械或化学清理后又立即生成,即使在高真空条件下,这层氧化膜也难于分解,影响原子扩散。
为破坏结合界面上的氧化膜就需要将连接温度提高到接近铝的熔点或在连接界面上施加很大的压力。
这不可避免的会使连接件产生过量的塑性变形。
(2)在不采用中间层情况下,铝基复合材料接触面上存在增强相-增强相直接接触现象,在扩散焊条件下很难实现增强相之间的扩散连接。
该部位不仅减少了载荷的传递能力,且还为裂纹的萌生和扩展提供机遇,成为接头强度不高的主要隐患。
因此,如何控制结合区的氧化膜行为及增强相的接触状态是铝基复合材料扩散连接的技术关键。
为了寻找解决这些问题的途径,国内外专家学者进行了许多研究。
刘黎明等人以Al2O3p/6061Al复合材料为对象,对其扩散焊接合区微连接行为进行了探索性的研究,分析了接头微观组织及力学性能。
研究表明,扩散焊温度对接合区的微连接行为有显著影响,当焊接温度低于铝基复合材料固相线温度时,增强相-基体、增强相-增强相之间微连接属弱连接;当焊接温度介于该种材料液、固两相温度区间时,接头区域出现液态基体金属,增强相-基体之间可以实现较好结合,同时液态金属对增强相-增强相接触部位进行渗透,使增强相-增强相接触转化为增强相-基体-增强相结合,在此基础上发现在铝基复合材料液、固两相温度区间有“临界温度”存在[8-9]。
另外,扩散焊条件下接头区域的氧化膜随着焊接温度的升高,由连续膜状逐渐破碎细化,含量也逐渐减少,当焊接温度达到基体合金固相线温度时,接头区域氧化膜进一步细化,接头强度提高[10]。
赵明久采用加铝箔中间层的方法对15%SiCp/2024Al复合材料进行固态扩散连接,获得了较高质量的复合材料扩散焊接头,其接头微观结构如图1所示[11-13]。
西安交通大学的张新平等人,通过加入软的合金中间层连接高SiCP体积份数复合材料,可使接头获得低体积份数复合材料的相似的强度[14]。
可见,中间层的加入有效地提高了接头的强度。
这主要是因为在无中间层情况下,颗粒增强的铝基复合材料扩散连接的界面存在颗粒与颗粒的弱连接(即P-P连接),如图2(a)所示。
然而,当中间层出现连接界面时,颗粒与颗粒的弱连接转变为颗粒与基体的有效连接(既P-M连接),如图2(b)所示。
所以,通过中间层的加入,连接界面的弱连接得到极大的改善,从而提高了接头的强度。
2瞬间液相扩散焊瞬间液相扩散焊(TLP)是在低于母材和填充钎料熔点的温度下,通过母材与钎料界面的互扩散,达到低熔点共晶成分而熔化形成液态,然后在此温度下保持恒定温度使其继续扩散,达到液相线与固相线之间的成分,开始等温结晶过程,完全结晶凝固为固态后继续保持恒温扩散则开始均匀化过程,完全均匀化后即形成与母材成分组织均匀一致的焊缝接头。
TLP的研究主要集中在以下几方面:(1)中间层的选择。
TLP要求中间填充钎料与母材之间有一定的固溶度,并能形成低熔点共晶,Ag、Cu、Si、Mg、Zn、Ge、Ga、Li都能与Al进行TLP。
Ag、Cu与Al的共晶温度分别为577、548℃,能与Al合金进行TLP连接并形成良好接头,而两者中以Cu更好。
Ga与Al的低熔点共晶温度为26.6℃,但它的扩散速度很低,特别是在低于400℃时扩散得相当慢,而且Ga能润湿Al合金晶界产生液态金属脆化。
Li的熔点为180℃,但形成的稳定金属间化合物AlLi会使接头脆化。
Mg、Zn、Ge与Al的共晶温度分别为450、381、420℃,但Zn与Mg具有很高的蒸汽压,在真空中加热是不可能的,只能在惰性气氛下工作。
Al-Ge相图为简单的共晶相图,使这一系统非常理想,但Ge与Si一样不能制成薄膜,只能喷镀到Al上。
(2)工艺参数对接头组织性能的影响。
压力对TLP连接接头组织性能的有利影响在于:①加压促进了塑性变形,使接触面积增大,同时也加剧了氧化膜的破碎;②中间层和新鲜的基体表面接触,扩散形成液相,液相的形成有助于氧化膜的去除;③破碎的氧化膜和溶入液相的SiC颗粒在压力作用下被挤出接触界面,使得接触面之间仅含有少量的液相,液相区宽度大大减小。
这样既减少了接头中氧化物夹杂的数量,同时也减少了连接界面区域与液态金属润湿性不良的增强相颗粒的数量。
并且,液相区宽度的减小促使等温凝固过程迅速完成,有利于接头组织性能的均匀化,从而提高接头性能。
因此,施加一定的压力有助于接触表面氧化膜的去除,实现液态金属与复合材料的良好接触,从而显著提高接头力学性能[15]。
最近陈铮用Cu箔做中间层进行TLP,得出以下结论:采用10μm的Cu箔进行TLP时,连接温度和时间一定时,加压可显著提高接头强度[16]。
(3)铝基复合材料TLP连接界面颗粒偏聚Li等人[17-18]用Cu箔作中间层TLP连接Al2O3p/A复合材料,在接头中心区域观察到增强颗粒的偏聚,该区域通常成为接头薄弱环节。
研究发现偏聚是由于等温凝固时固液界面的缓慢移动引起的改变加热速率对偏聚的影响不大。
但发现改变中间层的厚度可明显影响到接头中颗粒偏聚的程度。
当采用特定厚度的中间层产生的中间液相层小于或近似等于母材中颗粒的平均间距时,接头中不会产生颗粒偏聚。
图3所示,当用15μm以下的铜箔进行连接,可得到无偏聚的优质接头。
根据文献[19]的结果,当固-液界面移动速率低于某临界值时,颗粒将被推离固-液界面形成偏聚。
TLP连接等温凝固时,半径小于临界半径的颗粒将被推移至固-液界面前沿,连接区域发生颗粒偏聚。
增大界面移动速率可减小颗粒偏析程度。
Zhai等人[20]认为,当接头中心颗粒偏聚厚度超过10μm时,接头通常通过颗粒偏聚带断裂。
然而,当颗粒偏聚厚度不超过10μm时,接头破裂发生在陶瓷金属界面附近Al2O3材料上,而不是通过颗粒偏聚层。
在异质MMC/Al2O3接头中完成时间比较长,固液界面推动速率比较低,因为黄铜只能扩散到铝基复合材料中。
因为这个原因,当异质材料TLP时颗粒偏聚趋势明显增加。
在853K进行TLP时,使用5μm 厚铜薄片作中间层,可以产生很高的剪切强度。
当在接头截面颗粒偏聚层的厚度超过10μm,在机械实验中这个区域首先断裂。
然而,当一个薄的颗粒偏聚层(<10μm)在熔合线接头形成时,断裂出现在熔合线附近的Al2O3材料接头强度也比有关报道的要高。
Askew等人[21]认为,纯Cu在Al中的扩散太慢而往往导致颗粒增强相的偏聚,因而采用13μm厚Ni箔作为中间层用TLP的方法连接了2124Al-17%SiCP复合材料。
焊接参数Tb=655℃，Tb=60min,真空度10-3Pa,焊后进行了固溶处理及时效处理,没发现颗粒偏聚,且接头剪切强度为276MPa,约为母材强度的98%。
以上实验结果说明通过改变连接时间和压力可以控制接头中残余中间层和液态金属的量以及增强相的偏聚程度。
通过降低残余中间层厚度可以减少接头中增强相的偏聚程度,有利于提高接头的强度。
当然,中间层厚度的减少,应能保证与基体金属发生反应后生成足够的液相使连接界面达到可靠的接触和去除氧化膜的作用。
另外,采用含有扩散速度快的降熔点元素的中间层,可以减少甚至避免接头中颗粒偏聚现象。
3结论颗粒增强铝基复合材料的固相扩散焊和瞬间液相扩散焊被认为是该材料连接的有效方法。
但是,在实际的焊接中存在着一些关键性的问题。
就固相扩散焊而言,连接界面处弱连接的避免和界面处氧化膜的有效去除是颗粒增强铝基复合材料的固相扩散焊成功的关键。
在颗粒增强铝基复合材料的瞬间液相扩散连接中尽量减少颗粒偏聚的程度,可有效提高接头的强度。
另外,颗粒增强铝基复合材料的扩散焊通常是在真空条件下进行的,这就制约了其在工程中的应用,所以非真空环境下能够进行的扩散连接技术还急待发展。
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