液態(tài)釬料與鋁基復合材料超聲潤濕復合機理及其應用研究.pdf

1、鋁基復合材料（AlMMCs）具有比一般合金材料優(yōu)良的比強度、比剛度、尺寸穩(wěn)定性和耐磨損等性能，尤其是近年來該種材料制備技術(shù)的快速發(fā)展，成本大為降低，在航空航天、電子和汽車等領(lǐng)域的應用將越來越廣泛。但是，由于該類材料增強相與基體物理、化學性能的巨大差異，焊接性較差。這使加工具有一定復雜形狀、難以通過一次成型的功能結(jié)構(gòu)件尤為困難。因此，高效、可靠的連接技術(shù)是鋁基復合材料擴大應用亟待解決的關(guān)鍵問題。
　　制約鋁基復合材料接頭質(zhì)量及其應用

2、的兩個基本問題是實現(xiàn)填充材料同時與基體材料和增強相材料的物理潤濕復合和復雜構(gòu)件在非真空條件下的可靠連接。結(jié)合超聲波的特點，以Al2O3、SiC顆粒增強鋁基復合材料為主要對象，通過研究超聲波作用下液態(tài)釬料與AlMMCs的潤濕復合行為，創(chuàng)新性地提出了該種材料非真空、無釬劑條件下的超聲波毛細焊接工藝，并為了優(yōu)化接頭性能，研究了液態(tài)焊縫中增強相顆粒運動、遷移和分布規(guī)律以及陶瓷顆粒/釬料復合體的凝固行為，獲得了可控的、復合化的焊縫組織，接頭性能顯

3、著提高，為鋁基復合材料可靠、高效地焊接開辟了一條新途徑。主要研究工作及結(jié)論包括：
　　超聲波作用下液態(tài)釬料與AlMMCs的潤濕行為研究發(fā)現(xiàn)，大氣環(huán)境中、從母材導入超聲波的條件下，超聲振幅大于臨界值10μm后，液態(tài)釬料可在鋁基復合材料表面實現(xiàn)良好的潤濕鋪展，當超聲振幅小于10μm時，釬料潤濕鋪展的情況與釬料放置的位置有關(guān)。采用有限元的方法對潤濕界面的聲壓場的數(shù)值模擬結(jié)果表明，只有當超聲振幅達到10μm后，潤濕界面才可產(chǎn)生較大的聲負壓

4、，而當超聲振幅小于10μm時，只有局部的潤濕界面產(chǎn)生較大的聲負壓，而其它潤濕界面處的聲負壓值接近零。計算的結(jié)果初步說明了實驗觀察到的結(jié)果。
　　Zn-Al釬料可通過鋁基復合材料表面氧化膜的（裂縫）通道潛入到氧化膜/基體界面并沿基體表面發(fā)生鋪展，形成"皮下潛流"現(xiàn)象，而且表現(xiàn)出"線性鋪展"的行為。線性鋪展的速率隨加熱溫度、母材表面粗糙度及吸氣量的增加顯著提高，而與釬料量無關(guān)。當潛流發(fā)生時，母材表面的氧化膜首先被潛流金屬剝離后在超聲波

5、作用下破碎；當潛流現(xiàn)象不發(fā)生時，釬料首先通過氧化膜裂縫與母材基體發(fā)生擴散，導致基體液化，液化區(qū)表面的氧化膜在超聲波作用下破碎。釬料與母材潤濕結(jié)合后，釬料成為陶瓷顆粒增強的復合材料：亞微米級的顆粒以顆粒團的形式存在，而微米級的以單個顆粒的形式存在。
　　基于超聲潤濕行為的基礎上，探討了超聲輔助毛細填縫焊接過程的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，在不潤濕的基礎上，超聲波作用可實現(xiàn)釬料的水平填縫過程，釬料的液－氣界面初始為凸界面，當界面潤濕改善后轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

6、凹界面。較佳的焊接工藝為：超聲波振幅10～25μm，作用時間大于3s，預留間隙100～400μm。接頭中殘留的氧化膜往往是斷裂源，導致接頭強度低。釬料填縫結(jié)束后，焊縫各個區(qū)域氧化膜的破除并不同步，需延長超聲波作用時間使?jié)櫇窠缑娴难趸氐灼瞥?。無氧化膜及陶瓷顆粒增強的接頭強度取決于釬料的強度。為了提高接頭性能，有必要形成復合焊縫，但需保證其中的增強相均勻分布。
　　為了獲得復合焊縫，可將復合材料共晶液相層中的陶瓷顆粒通過超聲作用，

7、分散、混合到液態(tài)釬料層中，適宜的超聲波振幅和作用時間范圍分別為10～25μm和2～10s，振幅過小、作用時間過短不足以使顆粒分布均勻，振幅過大容易導致熔體發(fā)生霧化現(xiàn)象，作用時間過長熔體中出現(xiàn)顆粒聚集現(xiàn)象。透明介質(zhì)中顆粒運動遷移的動態(tài)觀察揭示了超聲波作用下介質(zhì)中的聲流模式，以及超聲振幅、熔體粘度對聲流模式、顆粒分散的影響。
　　為了控制陶瓷顆粒在液態(tài)焊縫中的上浮現(xiàn)象，通過實驗及Stokes理論計算了顆粒的上浮速率。實驗結(jié)果表明隨著溫

8、度和顆粒的尺寸的增加，顆粒的上浮速率急劇增加；顆粒的體積份數(shù)提高時，顆粒的上浮速率幾乎線性降低。理論計算值的變化規(guī)律與實驗結(jié)果一致，但在數(shù)值上有所偏差，在此基礎上提出了修正系數(shù)。修正后的上浮速率為：溫度的影響：Vm=(0.0116Tm-4.2902)Vh；體積份數(shù)的影響：Vm=0.414Vh(C<10％)，Vm=(0.6591-0.0236C)Vh(C>10%)。
　　常規(guī)凝固過程中基體晶粒的過度生長是導致增強相顆粒發(fā)生偏聚的主要

9、原因。利用超聲波對SiCp/Zn-Al復合體凝固過程中的晶粒細化及顆粒分布控制研究表明：超聲波的作用方式對基體組織的細化以及顆粒的分布有非常重要的影響，采取適當?shù)暮銣靥幚?，在一定的固相份?shù)范圍內(nèi)（30～45％），利用先結(jié)晶的固相的“原位釘扎”作用，可避免顆粒宏觀的偏聚，實現(xiàn)顆粒的均勻分布，同時又可獲得組織細化的效果。
　　超聲波作用"破碎已形成的枝晶"在組織細化過程中起到了主導的作用。在超聲波振幅不變的條件下，熔體的粘度決定了超聲