專利名稱：一種碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料連接技術(shù)的范疇，特別涉及到碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接技術(shù)。
背景技術(shù)：
SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al)具有優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，如高比強(qiáng)度、高比模量、低膨脹系數(shù)、耐磨、耐高溫、良好的熱穩(wěn)定性等，在航空航天、汽車、電子、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，是空間技術(shù)領(lǐng)域中理想的結(jié)構(gòu)材料。
隨著SiCp/Al復(fù)合材料的應(yīng)用和推廣，其本身或者與其他材料的連接問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前，有關(guān)SiCp/Al復(fù)合材料的連接國(guó)內(nèi)外雖有一些研究，但主要集中在沿用鋁及鋁合金的連接方法上，幾乎所有鋁及鋁合金的連接方法都先后被研究用于由于SiCp/Al復(fù)合材料的連接，如氬弧焊、電子束焊、激光焊、擴(kuò)散焊和釬焊等。研究表明，由于材料組成和組織結(jié)構(gòu)的特殊性，SiCp/Al復(fù)合材料連接遠(yuǎn)比鋁及鋁合金困難得多。在1999哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第2期130-133頁(yè)中介紹到，采用高溫熔化焊連接SiCp/Al復(fù)合材料連的主要問(wèn)題是(1)焊接熔池中增強(qiáng)相(SiC)與基體金屬(Al)發(fā)生反應(yīng)生成脆性化合物(Al3C4)，嚴(yán)重影響焊縫與母材的力學(xué)性能；(2)由于含有高熔點(diǎn)SiC增強(qiáng)相，熔焊時(shí)熔池粘度高、流動(dòng)性差，從而導(dǎo)致焊接操作困難，焊縫成形差，且容易產(chǎn)生夾渣、氣孔和SiCp偏聚等缺陷。在1997，7692 Welding Journal中指出，用釬焊的方式對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行連接也難以獲得令人滿意的結(jié)果，其主要原因?yàn)?1)釬焊由于釬料性能的限制，其接頭強(qiáng)度較低；(2)釬料及釬焊試樣表面上的Al2O3氧化膜嚴(yán)重影響釬料在母材表面的潤(rùn)濕與鋪展。2002年7月第32卷第3期“顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散連接研究進(jìn)展”中敘述了直接固相擴(kuò)散焊作為固相連接方法可一定程度上克服熔化焊存在的問(wèn)題，但固相擴(kuò)散連接鋁基復(fù)合材料需在較高的溫度和施加很大壓力的條件下完成，這不可避免地會(huì)引起被連接件產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形。目前，SiCp/Al復(fù)合材料比較有效的連接方式是瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接，該方法利用中間夾層與母材間的共晶反應(yīng)在連接過(guò)程中形成液相并同時(shí)破壞試樣表面氧化膜而實(shí)現(xiàn)連接。但現(xiàn)在有關(guān)SiCp/Al復(fù)合材料的反應(yīng)擴(kuò)散連接仍局限于套用鋁及鋁合金的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法——以Cu、Ag等金屬箔片作為中間反應(yīng)夾層。然而，金屬箔片作為中間反應(yīng)夾層在連接結(jié)構(gòu)方面存在局限性，不利于對(duì)復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行連接，并且Al-Cu、Al-Ag較高的共晶反應(yīng)溫度(Al-Cu共晶溫度548℃和Al-Ag共晶溫度566℃)亦容易損傷母材，所以用Cu、Ag金屬箔片作為中間反應(yīng)夾層反應(yīng)擴(kuò)散連接SiCp/Al復(fù)合材料仍然存在諸多問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是以一定配比的Al、Ag、Cu和Ti的單質(zhì)混合粉末作為中間夾層對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接。材料連接過(guò)程中利用Al-Ag-Cu之間的三元共晶反應(yīng)形成液相，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的成份擴(kuò)散均勻化處理實(shí)現(xiàn)試樣間的冶金結(jié)合。本發(fā)明不僅避開(kāi)了高溫熔化焊接SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)所面臨的困難，而且和現(xiàn)有的SiCp/Al復(fù)合材料瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接工藝相比具有可連接復(fù)雜的構(gòu)件、連接溫度低、對(duì)母材損害小、對(duì)被連接母材的表面預(yù)處理要求不高等特點(diǎn)。
本發(fā)明的具體步驟是1、將Al、Ag、Cu、Ti單質(zhì)粉末混合，作為中間夾層，混合粉末的質(zhì)量百分比為Al粉37～40％，Ag粉38～41％，Cu粉17～20％，Ti粉0.5％～3％；2、將試樣待連接表面打磨平整，然后用150#砂紙去除氧化膜，再依次用NaOH溶液、蒸餾水、丙酮、無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗；3、用無(wú)水酒精將按指定成分混合好的粉末調(diào)制成漿料并攪拌均勻；4、將配制好的混合粉末漿料均勻涂布在待連接試樣表面上；5、將待連接試樣放置在特定夾具中，并對(duì)其施加壓力1Mpa～10Mpa；6、在真空爐內(nèi)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行連接，真空度3～6×10-3pa，加熱速度10～20K/min，在500～540℃下保溫15～60分鐘，之后隨爐冷卻至室溫。
與現(xiàn)有的瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接相比，用本發(fā)明方法對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行連接具有以下優(yōu)點(diǎn)1、混合粉末作為中間層突破了金屬箔片作為中間反應(yīng)夾層在連接結(jié)構(gòu)方面存在的局限性，可以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行有效的連接；
2、反應(yīng)溫度(Al-Ag-Cu共晶溫度500℃)低于絕大部分鋁合金的固相線，對(duì)被連接母材的影響較?。?、表面活性元素Ti的加入可以有效的改善液相與SiCp/Al復(fù)合材料的潤(rùn)濕性，大大降低了母材表面Al2O3膜對(duì)連接的不良影響。


圖1用Al-Ag-Cu-Ti為中間層對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料反應(yīng)擴(kuò)散連接的連接接頭整體形貌照片。
圖2用Al-Ag-Cu-Ti為中間層對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料反應(yīng)擴(kuò)散連接的連接區(qū)與被連接母材的連接界面照片。
從圖1用Al-Ag-Cu-Ti為中間層對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料反應(yīng)擴(kuò)散連接的連接接頭整體形貌照片中可以看到連接區(qū)均勻、致密。從圖2用Al-Ag-Cu-Ti為中間層對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料反應(yīng)擴(kuò)散連接的連接區(qū)與被連接母材的連接界面結(jié)構(gòu)照片中未發(fā)現(xiàn)任何不良結(jié)合，連接層和母材之間實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。
具體實(shí)施例方式
表1給出了本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例

綜上所述，以及從附圖中可知，用Al-Ag-Cu-Ti為中間層對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料反應(yīng)擴(kuò)散連接可以形成均勻、致密且力學(xué)性能良好的連接接頭。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接方法，其特征在于1)Al、Ag、Cu、Ti單質(zhì)粉末混合，作為中間夾層，混合粉末的質(zhì)量百分比為Al粉37～40％，Ag粉38～41％，Cu粉17～20％，Ti粉0.5％～3％；2)將試樣待連接表面打磨平整，然后用1 50#砂紙去除氧化膜，再依次用NaOH溶液、蒸餾水、丙酮、無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗；3)無(wú)水酒精將按指定成分混合好的粉末調(diào)制成漿料并攪拌均勻；4)將配制好的混合粉末漿料均勻涂布在待連接試樣表面上；5)將待連接試樣放置在特定夾具中，并對(duì)其施加壓力1Mpa～10Mpa；6)在真空爐內(nèi)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行連接，真空度3～6×10-3Pa，加熱速度10～20K/min，在500～540℃下保溫15～60分鐘，之后隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
一種碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接方法，特別涉及到SiCp/Al復(fù)合材料的瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接技術(shù)。本發(fā)明采用Al、Ag、Cu、Ti單質(zhì)混合粉末作為中間夾層，利用Al－Ag－Cu之間的三元共晶反應(yīng)形成液相，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的成分?jǐn)U散均勻化處理實(shí)現(xiàn)試樣間的冶金結(jié)合。其工藝過(guò)程為配制中間夾層→待連接母材表面預(yù)處理→用無(wú)水酒精將混合粉末調(diào)制成漿料并將其預(yù)置在待連接母材表面→在真空爐中經(jīng)過(guò)一定下溫度的保溫→隨爐冷至室溫。本發(fā)明不僅避開(kāi)了高溫熔化焊接SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)所面臨的困難，而且和現(xiàn)有的瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接相比具有可連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SiCp/Al復(fù)合材料、連接溫度低、對(duì)母材損害小、對(duì)被連接母材的表面預(yù)處理要求不高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K20/24GK1654155SQ20051001119
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2005年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者黃繼華, 萬(wàn)云, 張建綱 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)