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2013年金属材料报告论坛陶瓷增强铝基复合材料的钎焊及扩散焊河南理工大学材料科学与工程学院河南焦作2013-04-26HPU1.引言金属基复合材料由于比强度高、比刚度高和耐磨性好等优点，成为应用前景很好的新材料。其中铝基复合材料以其制备容易、成本低、性能和功能性强等优点引人注目，在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景[1-5]。颗粒增强铝基复合材料已成功用于飞机机身的盖板、转向架和车辆零部件的批量生产，在电子器件封装领域也有广阔的应用前景[5-7]。SchoolofMaterialsScienceandEngineering引言由于铝基复合材料的陶瓷增强相的物性与基体差异很大，其焊接性不好，难以形成可靠的接头，限制了该种材料的推广应用[7-10]。近30年来，人们对铝基复合材料的焊接方法进行了大量研究，涉及的焊接方法有熔化焊、摩擦焊、钎焊、瞬时液相扩散连接等方法[11-16]。近年来一些新的焊接技术如电子束焊、激光焊和搅拌摩擦焊也被用于铝基复合材料的焊接。其中钎焊及扩散焊不涉及基体金属的熔化，焊接应力小，是目前应用前景十分广阔的连接方法[16-18]，因此深入研究铝基复合材料的钎焊及扩散焊界面形成机理显得格外重要。SchoolofMaterialsScienceandEngineering增强相与金属合金的润湿机理1.1铝基复合材料焊接的难点金属基复合材料焊接时，不仅要解决金属基体的焊接，还要考虑金属与增强相的结合。因此，关键是增强相与基体、增强相之间的结合。其难点是：（1）界面反应复合材料的金属基体和增强相之间，在较大的温度范围内是热力学不稳定的，加热到一定温度界面会发生化学反应。（2）界面润湿性差SchoolofMaterialsScienceandEngineering增强相与金属合金的润湿机理（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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering增强相与金属合金的润湿机理1.1铝基复合材料焊接的难点（2）润湿性润湿性是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象，是铝基复合材料钎焊的关键技术指标。由于陶瓷增强相与金属之间润湿性不好，结合为弱连接。铝基复合材料中增强相越多，焊接性能越差[19]。SchoolofMaterialsScienceandEngineering陶瓷增强相含有离子键或共价键，表现出非常稳定的电子配位，很难被含金属键的金属钎料润湿。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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.2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。文献[5]研究了挤压铸造60%SiCp高体积分数铝基复合材料的组织性能，在温度750℃，压力130MPa条件下制备铝基复合材料，通过电子透射显微镜分析，在SiCp/Al合金基体界面形成了细条状的Al4C3金属间化合物，界面发生了如下化学反应：3SiC(s)+4Al(l)=Al4C3(s)+3Si(l)（1）界面Al4C3金属间化合物TEM形貌HPU由于压力的作用，SiC/Al基体之间发生反应，形成了半共格界面，因此压力对于对于陶瓷/金属基体间的反应有重要影响。文献[21]研究了无压浸渗制备SiC颗粒增强铝基复合材料界面显微组织，基体合金是Al-Si-Mg-Zn，在Ni气保护下，SiC颗粒在1100℃预氧化3h，在800-900℃进行浸渗处理，透射电子显微分析表明，在SiC颗粒表面有300nm的MgAl2O4尖晶石颗粒形成，两相之间有如下位相关系：42i111//0001OMgAlCS242110//011SiCMgAlO（3）HPU无压浸渗SiC表面MgAl2O4形貌HPUSchoolofMaterialsScienceandEngineeringReRevvMeXXMe00ReelnlnbulkvMeRevGGXGMXvRTaRTa0RevGX0eGMXMeaRea文献[22]研究了A1-Si/SiC系统界面润湿性，在真空条件下，Al对SiC进行润湿的温度高于900℃。A1-Si/SiC在1100℃时润湿角为25°。陈建等认为[20]在热力学非平衡条件下，金属熔体M中的活性元素(Re)和增强相(MeXξ)中的非金属元素(X=O,N或C等)按下式反应：（4）式中：v、ξ分别表示反应产物和增强相陶瓷中的计量数。式（4）的吉布斯能变化可用下式表示：式中：、分别为反应产物和增强相陶瓷的标准形成自由能；和分别为Me和Re在液态金属M中的活度。铝基复合材料钎焊及扩散焊工艺方法陶瓷材料主要化学键与金属不同，含有离子键或共价键，表现出非常稳定的电子配位。钎焊时陶瓷表面很难被金属钎料润湿[19]。钎焊时钎剂和真空条件对陶瓷/金属润湿性没有直接影响，要实现铝基复合材料的有效连接，工艺方法十分重要。物质的传输方式气体对流+扩散固体扩散液体对流+扩散金属陶瓷高分子离子键扩散机制不同HPU2.1钎焊（1）钎焊时的表面处理技术表面处理可以使陶瓷表面金属化，再用进行钎焊，可以提高复合材料焊接性能。关键是陶瓷表面的预金属化，陶瓷的预金属化方法即表面金属化方法有物理气相沉积的方法（PVD）、化学气相沉积工艺（CVD）、热喷涂法、化学沉积法、超声波法和等离子注入法等，但工艺较复杂[23]。使其应用受到限制。钎焊（2）活性元素的作用在钎料合金中加入活性元素如：金属Ti、Zr、Hf、Nb、Cr、Mg、V等，通过化学作用使陶瓷表面产生分解，形成反应层。反应层由金属与陶瓷的化合物构成，这些产物可以表现出与金属相同的结构，因此可以被熔化的金属润湿[23]。这种钎焊方法工艺简单，但是由于钎料中含有活性元素，所以钎焊时，活性元素的保护是关键技术。活性钎焊一般都在真空或纯度很高的惰性保护气体中进行，钎焊温度下真空度一般应保证高于10-2Pa。钎焊（3）超声波辅助钎焊方法铝基复合材料在普通钎焊工艺条件下，其接头强度通常都不高。在钎焊工艺中引入超声波是目前值得研究的新工艺。文献[18]研究了高体积分数铝基复合材料的超声波钎焊，工艺示意图如图3所示，这种方法可以在大气环境下不使用钎剂去除铝合金表面的氧化膜，促进钎料对陶瓷的润湿。润湿性随着超声振动时间的延长而提高，不仅可以润湿铝基体，钎料也能逐渐润湿表面SiC相颗粒，接头的剪切强度达到155.6MPa。钎焊（4）加压真空钎焊牛济泰等研究了含55%体积分数SiCp颗粒增强铝基复合材料的真空钎焊[24]，采用专用夹具（如图4所示）和在钎料中添加Mg、Ti、Ni等元素提高钎焊性能。在560℃钎焊表明压力和钎料中的Mg元素对改善润湿性和提高结合强度有明显作用，钎焊接头结合良好如图5所示，由于压力的作用挤出了少量钎料，使得钎缝变窄，对提高接头性能有力，剪切强度达到102MPa。钎料石墨FFF图4加压钎焊夹具示意图图555%体积分数SiCp铝基复合材料钎焊接头SEM显微组织HPU2.2扩散焊工艺目前固相扩散连接也是连接复合材料的常用方法之一。与钎焊工艺相比，固相扩散连接形成的接头不存在低熔点钎料金属或合金，接头质量稳定，可以制备出耐高温的接头。扩散连接分为无中间层和有中间层两大类。无中间层的固相扩散连接中界面的结合是靠塑性变形、扩散和蠕变机制实现的，温度较高，压力大。陶瓷/金属固相扩散连接通常为金属熔点的0.9倍，两种材料热膨胀系数和弹性模量差异大，易在界面附近产生高的残余应力，一般很难实现陶瓷与金属的直接扩散连接。而在连结界面插入适当的中间层，不仅能降低连接温度和压力，还能显著降低残余应力，提高接头强度。扩散连接要求接触面无氧化层及其它污染物，接触面越大越好[25]。扩散焊工艺（1）无夹层扩散焊牛济泰等研究了Al2O3p/6061Al的无夹层扩散焊，认为焊接温度起着至关重要的作用。当焊接温度超过铝基复合材料的固相线一定温度时，焊缝消失，接头强度提高。当焊接温度介于某温度区间时，接头强度最大，而且稳定性提高，在焊缝的界面处观察不到氧化膜的存在。采用此技术成功地焊接了Al2O3p/6061Al铝基复合材料，接头强度达到母材的80%以上[26]。扩散焊工艺（2）液相冲击扩散焊采用这种工艺实现了颗粒增强铝基复合材料SiCp/ZL101的扩散连接，接头强度接近母材强度的75%，变形量小于3%[26]。液相冲击扩散焊原理如图6所示，加热温度处于液固相线之间，焊接时结合界面出现一定数量的液相基体合金，加一定的冲击力，改善钎料与复合材料之间的相互作用。特点是焊接时间短（仅有30秒），消除接头区域有害相产生，连接质量好、生产效率。扩散焊工艺（3）加中间层的扩散连接-瞬时液相扩散连接瞬间液相扩散焊(TLP)时，