铝基复合材料钎焊与扩散焊

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2013-04-261.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]。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1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SchoolofMaterialsScienceandEngineering1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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1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。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。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）SchoolofMaterialsScienceandEngineering图1SiCp/AlCu4MgAg界面Al4C3金属间化合物TEM形貌由于压力的作用，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：SchoolofMaterialsScienceandEngineering

（3）SchoolofMaterialsScienceandEngineering图2SiCp/Al-Si-Mg-Zn无压浸渗SiC表面MgAl2O4形貌

SchoolofMaterialsScienceandEngineering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。

2.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。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineering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金属键离子键共价键扩散机制不同2.1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