低真空條件下鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊接工藝摘要：以Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料為對象,研究了在低真空條件下的直接擴(kuò)散焊接和6061Al鋁箔作為中間層的擴(kuò)散焊接工藝。分析了焊接溫度、保溫時間與不同焊接工藝所得接頭微觀組織及強(qiáng)度的關(guān)系。同時,分析了低真空度和夾具對接頭性能的影響。試驗結(jié)果表明,兩種焊接工藝所得接頭強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律以600和640為界分為三個階段,并且隨保溫時間的延長有所提高。在較高的溫度下,壓力和液態(tài)金屬的作用促使氧化膜破碎,有利于接頭強(qiáng)度的提高。關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料；直接擴(kuò)散焊接；中間層擴(kuò)散焊接以鋁基復(fù)合材料為對象研究了在低真空條件下的直接擴(kuò)散焊接和鋁箔作為中間層的擴(kuò)散焊接工藝。分析了焊接溫度、保溫時間與不同焊接工藝所得接頭微觀組織及強(qiáng)度的系數(shù)。同時，分析了低真空度和夾具對接頭性能的影響。試驗結(jié)果表明兩種焊接工藝所得接頭強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律以600和640為界分為三個階段并且隨保溫時間的延長有所提高。在較高的溫度下壓力和態(tài)金屬的作用促使氧化膜破碎有利于接頭強(qiáng)度的提高。序言：鋁基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨性和耐熱性等優(yōu)異的綜合性能而在航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械產(chǎn)業(yè)及體育用品等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力,是當(dāng)今材料學(xué)科正在探索與開發(fā)的高技術(shù)領(lǐng)域。目前,國內(nèi)外已經(jīng)采用鋁基復(fù)合材料加工成曲軸、氣缸、自行車架、望遠(yuǎn)鏡架以及飛機(jī)的起落架等產(chǎn)品。但是由于這種材料特殊的組織結(jié)構(gòu),使其采用普通的焊接方法很難獲得良好的接頭性能,焊接難度極大。從公開發(fā)表的技術(shù)資料來看,迄今為止國內(nèi)外關(guān)于這種材料的焊接性與焊接工藝的研究進(jìn)展非常緩慢,嚴(yán)重制約了這種材料在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用。1試驗材料及方法1.1試驗材料采用擠壓鑄造法制備Al2O3/6061Al鋁基復(fù)合材料。增強(qiáng)相Al2O3的體積比為30%。該復(fù)合材料在退火狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度為225MPa。經(jīng)差示掃描量熱儀DSC測定,其液、固溫度區(qū)間為595668。其顯微組織見圖1。采用與基體相同成分的6061Al鋁箔作為中間層。圖1Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料顯微組織1.2試驗方法1.2.1接頭處理方法將材料加工成10mm20mm50mm的尺寸進(jìn)行對接平焊,并對接頭表面進(jìn)行處理,處理過程為,先用丙酮清洗表面油污,再分別用20%NaOH溶液和20%硝酸溶液浸泡3min,最后用清水沖洗并吹干。1.2.2焊接過程擴(kuò)散焊接過程是在1Pa左右的真空室中進(jìn)行,通過熱電偶和可控硅來測量并控制溫度。焊接過程中試件通過自制夾具施加壓力。制作夾具的材料為高溫合金鋼,并且在700進(jìn)行調(diào)質(zhì)。主軸用來調(diào)節(jié)夾持試件空間范圍的大小,當(dāng)試件固定后,通過旋轉(zhuǎn)螺母加壓。焊接過程中工件和夾具隨爐升溫。在室溫下,夾具對接頭的初始壓力為20MPa左右。在升溫過程中,由于夾具受到熱膨脹,使其對工件的壓力逐漸降低,這恰好彌補(bǔ)了鋁基復(fù)合材料在液、固溫度區(qū)間強(qiáng)度非常低,并在稍大的壓力下極易發(fā)生破碎的缺點(diǎn)。到保溫階段,熱脹冷縮現(xiàn)象停止,使接頭壓力保持在一定數(shù)值。保溫結(jié)束后,工件和夾具在真空狀態(tài)下自然冷卻,夾具收縮使得此過程中接頭壓力有所升高。1.2.3試驗溫度的選取鋁基復(fù)合材料加熱到液、固兩相溫度區(qū)間時仍具有一定剛度,并且存在一個臨界溫度區(qū)間該區(qū)間內(nèi)焊接結(jié)合面上基體、增強(qiáng)相微觀連接行為發(fā)生了變化,使得接頭強(qiáng)度有很大改善。大量試驗表明,當(dāng)溫度超過臨界溫度時,在焊縫和試件表面會有少量液態(tài)金屬擠出,如圖2示,為640條件下焊后試件的圖2從圖中可以看出在焊縫處出現(xiàn)較多的液滴,而在試件的表面也有少量小液滴出現(xiàn)。1.2.4拉伸試驗及微觀組織觀察焊后利用css2205型電子萬能實驗機(jī)(抗拉強(qiáng)度取3個試樣的平均值)測試焊接接頭的力學(xué)性能(圖3ab焊后試樣和拉伸試樣)。采用掃描電子顯微鏡JSM-5600LV分析接頭微觀組織及斷口形貌。圖3后試樣和拉伸試樣2試驗結(jié)果及討論2.1溫度對接頭性能的影響分別采用直接擴(kuò)散焊和鋁箔作為中間層擴(kuò)散焊兩種工藝焊接Al2O3/6061Al鋁基復(fù)合材料。有實驗可知，在溫度低于600和高于640時直接擴(kuò)散焊接的接頭強(qiáng)度相對較低,采用鋁箔中間層擴(kuò)散焊接的接頭強(qiáng)度較高,當(dāng)溫度高于600、低于640時,直接焊接的接頭強(qiáng)度較高。接頭的強(qiáng)度隨溫度的變化可以分為三個階段。第一階段,在溫度低于600的情況下,基體沒有出現(xiàn)液相。在這個階段的擴(kuò)散焊接過程與普通的固態(tài)擴(kuò)散焊接沒有什么區(qū)別,在一定壓力的作用下,相互接觸的基體表面材料產(chǎn)生局部的塑性變形,低真空條件下鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊接工藝而達(dá)到緊密接觸,并通過表面原子的擴(kuò)散和鍵合實現(xiàn)連接的目的。但是,由于固態(tài)金屬基體的擴(kuò)散能力有限,使得直接擴(kuò)散焊接不能改善接頭區(qū)域的增強(qiáng)相/增強(qiáng)相接觸,很難得到較高強(qiáng)度的接頭；而采用鋁箔為中間層擴(kuò)散焊接時,不存在增強(qiáng)相/增強(qiáng)相接觸,這在很大程度上有利于接頭強(qiáng)度的提高。第二階段,溫度上升到600640區(qū)間時,基體金屬開始出現(xiàn)少量液相。這個階段,由于液態(tài)金屬的出現(xiàn)使金屬基體的擴(kuò)散能力得到很大程度的提高。并且液態(tài)金屬還可以滲透到增強(qiáng)相和增強(qiáng)相接觸的部位,使增強(qiáng)相/增強(qiáng)相接觸轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)相/基體/增強(qiáng)相的結(jié)合,直接擴(kuò)散焊接接頭強(qiáng)度得到很大程度提高。采用鋁箔為中間層的擴(kuò)散焊接過程中,基體金屬的擴(kuò)散能力也同樣有很大程度的提高,接頭強(qiáng)度有所改善。但是由于中間層引入多余的金屬,使得焊縫處增強(qiáng)相的濃度降低甚至出現(xiàn)沒有增強(qiáng)相的“鋁帶”,這就是造成這個階段采用鋁箔作為中間層的接頭強(qiáng)度低于直接焊接接頭強(qiáng)度的原因。第三階段,溫度高于640時,基體金屬出現(xiàn)較多的液相。這時,隨著溫度的提高和液態(tài)金屬的增加,基體金屬的擴(kuò)散能力得到進(jìn)一步的提高,直接擴(kuò)散焊接的接頭區(qū)域會有更多的增強(qiáng)相/增強(qiáng)相接觸轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)相/基體/增強(qiáng)相的結(jié)合,接頭強(qiáng)度也會相應(yīng)得到一定提高。采用鋁箔作為中間層的擴(kuò)散焊接接頭區(qū)域中,鋁箔引入的多余金屬逐漸擴(kuò)散到母材中或被擠出焊縫,使得接頭的微觀組織與母材相似,進(jìn)一步提高了接頭的強(qiáng)度。由于直接擴(kuò)散焊接的接頭區(qū)域不能完全消除增強(qiáng)相/增強(qiáng)相的接觸(如圖4a示),而采用中間層擴(kuò)散焊接的過程中液態(tài)金屬能夠很好浸潤增強(qiáng)相,減少了裂紋源(如圖4b示)。所以在這個階段采用中間層擴(kuò)散焊接的接頭強(qiáng)度高于直接擴(kuò)散焊接的接頭強(qiáng)度。2.2保溫時間對接頭性能的影響根據(jù)試驗結(jié)果可知,時間對接頭性能的影響并不是一個獨(dú)立的參數(shù),它是隨溫度以及其它焊接參數(shù)的改變而變化的。圖7所示為兩種擴(kuò)散焊接工藝在620時,接頭強(qiáng)度與焊接時間之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,在保溫時間較短的情況下,接頭強(qiáng)度隨保溫時間的增加而提高；當(dāng)保溫時間達(dá)到30min以后,接頭強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。這是由于保溫時間短,不利于基體金屬的充分?jǐn)U散,導(dǎo)致焊縫金屬不能均勻分布以及充分潤濕增強(qiáng)相,所以接頭強(qiáng)度會有所降低。如圖5示,為620下鋁箔中間層擴(kuò)散焊接保溫10min和40min所得焊縫組織,可見保溫10min的情況下焊縫存在較多的金屬,而保溫40min時焊縫中的金屬得到了充分的擴(kuò)散。圖4同焊接工藝接頭區(qū)域SEM組織2.3真空度影響程度隨溫度的變化試驗全部是在低真空加熱爐中進(jìn)行的。試驗環(huán)境的真空度為1Pa左右,所以焊接過程中氧化現(xiàn)象比較明顯。氧化現(xiàn)象的影響可以分為兩個階段進(jìn)行討論。在溫度低于600的情況下,由于沒有液態(tài)金屬的出現(xiàn),接頭變形也不充分,表面與空氣接觸較多,氧化最嚴(yán)重,氧化膜對固態(tài)金屬的擴(kuò)散也有很大的阻礙作用,這也是該階段接頭強(qiáng)度很低的一個重要原因,如圖6a口以脆性斷裂為主。當(dāng)溫度高于600時,達(dá)到基體的液固溫度區(qū)間,液態(tài)金屬的生成和擠出促進(jìn)了氧化膜的破碎,較大的塑性變形造成接頭的緊密接觸。這就減輕了焊接處的氧圖5同保溫時間下焊縫組織照片化程度。所以在這個階段,真空度的影響程度有所降低。如圖6b示為620下焊接試件的拉伸斷口,有部分區(qū)域在母材處發(fā)生韌性斷裂。隨著溫度的繼續(xù)升高,液態(tài)金屬不斷增多,并在壓力作用下擠出。運(yùn)動的液態(tài)金屬促使更多氧化膜破碎,并擴(kuò)散到基體中。另外,更大的塑性變形進(jìn)一步減輕了接頭的氧化程度。所以這個階段真空度的影響降低到更低的程度,如圖6c為650下焊接試件的拉伸斷口,斷口的大部分區(qū)域為在母材處的韌性斷裂,使得接頭強(qiáng)度得到很大提高。所以在試驗過程中真空度的影響程度是隨著溫度的升高而降低。3結(jié)論(1)在不同溫度下,兩種擴(kuò)散焊接工藝的接頭強(qiáng)度的變化可以分為三個階段,在溫度低于600的情況下,焊接工藝的機(jī)理為基體的固態(tài)擴(kuò)散焊接,不能改善增強(qiáng)相/增強(qiáng)相接觸；在600640溫度區(qū)間內(nèi),接頭區(qū)域有少量液態(tài)金屬析出,有效地改善了部分增強(qiáng)相/增強(qiáng)相的接觸,使直接擴(kuò)散焊接接頭強(qiáng)度超過了采用鋁箔為中間層擴(kuò)散焊接接頭強(qiáng)度；當(dāng)溫度高于640的時候,液態(tài)金屬的增多,使得基體的擴(kuò)散能力大大增強(qiáng),采用中間層擴(kuò)散焊接的接頭區(qū)域多余的金屬得到充分的擴(kuò)散,使接頭區(qū)域得到與基體相似的組織,從而有效地提高了其接頭強(qiáng)度。圖6同溫度下中間層擴(kuò)散焊接試件斷口形貌SEM照片A-母材處韌性斷裂；B-接頭表面的脆性斷裂(2)焊接時間對接頭強(qiáng)度有一定影響,但其影響規(guī)律隨溫度等其它焊接條件的改變而變化。通常在保溫時間較短的情況下,接頭強(qiáng)度隨保溫時間的增加而提高；當(dāng)保溫時間達(dá)到某一數(shù)值后,接頭強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。(3)低真空的試驗環(huán)境使得接頭表面有氧化現(xiàn)象,但是