SiCp-Al復(fù)合材料振動輔助半固態(tài)釬焊微觀機制及工藝研究.pdf

1、SiCp/Al復(fù)合材料具備諸多優(yōu)點而具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于其特殊的材料結(jié)構(gòu)和組成，導(dǎo)致其焊接性較差，難以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，這嚴(yán)重地制約了它的實際工程應(yīng)用。振動輔助半固態(tài)釬焊技術(shù)，能夠在大氣環(huán)境下、不使用釬劑就可對 SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行焊接，并獲得高強度的接頭，具有重要的工程應(yīng)用價值。為此，本文對 SiCp/Al復(fù)合材料振動輔助半固態(tài)釬焊的微觀機制以及工藝進(jìn)行了研究。制備了一種適合振動輔助半固態(tài)釬焊的Zn-Al合金釬料；研究

2、了Zn-Al合金釬料在半固態(tài)下的等溫壓縮變形行為，分析了釬料中的固相晶粒在壓縮過程中對母材表面的相對作用；研究了振動作用下SiCp/Al復(fù)合材料表面氧化膜破碎的物理機制；研究了振動的壓縮應(yīng)變、應(yīng)變速率以及壓縮次數(shù)對表面氧化膜破碎的影響規(guī)律；對SiCp/Al復(fù)合材料以及Al合金進(jìn)行了振動輔助半固態(tài)釬焊工藝研究。
　　為了滿足振動輔助半固態(tài)釬焊的特殊要求，基于Zn-Al二元合金體系，并通過提高 Al含量來擴大合金的固-液溫度區(qū)間，以及

3、在半固態(tài)下重熔并保溫處理使內(nèi)部晶粒球化，制備了一種固-液溫度區(qū)間達(dá)117℃、晶粒圓整細(xì)小的Zn-27Al合金釬料。該釬料在半固態(tài)溫度區(qū)間442-450℃，對應(yīng)固相率范圍為56.5％-70%，在具有抵抗變形能力的同時，還能具有良好的流動性，在機械振動作用下呈周期性的“擠出-拉回”狀態(tài)，能夠動態(tài)平衡地充填焊縫而不被擠出，適合振動輔助半固態(tài)釬焊使用。釬焊溫度最終選擇445℃，此時半固態(tài)釬料的固相率為64%。
　　利用電子萬能材料試驗機對

4、Zn-Al合金釬料在半固態(tài)下的壓縮變形行為進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)在壓縮過程中，試樣內(nèi)部可以劃分為：固相晶粒只發(fā)生輕微變形的難變形區(qū)，和固相晶粒發(fā)生了嚴(yán)重塑性變形的大變形區(qū)。在不同的變形區(qū)內(nèi)，固相晶粒對母材表面的相對作用是不一樣的。在試樣中部的難變形區(qū)內(nèi)，固相晶粒受到強烈的三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)作用，對母材表面的相對作用表現(xiàn)為壓縮-擠壓作用，且應(yīng)力值很大；在試樣外圍的大變形區(qū)內(nèi)，固相晶粒在向外變形、運動的過程中，對母材表面產(chǎn)生剪切-刮擦混合作用。并且發(fā)

5、現(xiàn)試樣的形狀因子（H/D）越小，在壓縮過程中其內(nèi)部大變形區(qū)從邊緣向中心擴展、幾乎遍及整體，只有中心處一小部分區(qū)域還處于難變形區(qū)，使得試樣接觸表面上的變形情況變得復(fù)雜，導(dǎo)致接觸表面上固相晶粒對母材表面的相對作用變得強烈，從而有利于在振動作用下破碎母材表面上的氧化膜。Zn-Al合金釬料片的形狀因子（H/D）最終選擇0.1。
　　母材表面氧化膜的破碎與釬料中固相晶粒在振動壓縮過程中對母材表面的相對作用密切相關(guān)。在振動輔助半固態(tài)釬焊過程中

6、，半固態(tài)釬料中部對應(yīng)于壓縮的難變形區(qū)，在振動過程中固相晶粒會對母材表面施加一個強烈的壓縮-擠壓作用，使得母材發(fā)生局部塑性變形而內(nèi)凹，導(dǎo)致覆蓋在母材表面上的氧化膜發(fā)生撕裂而破碎；此外固相晶粒自身會發(fā)生塑性變形并沿著界面向外鋪展，從而進(jìn)一步排除母材表面上的氧化膜。釬料外圍則對應(yīng)于壓縮的大變形區(qū)，固相晶粒在振動過程中發(fā)生向外地滑移運動，對母材表面產(chǎn)生一個剪切-刮擦混合作用，從而剪切并剝離母材表面上的氧化膜。
　　在振動輔助半固態(tài)釬焊中，

7、振動的壓縮應(yīng)變、應(yīng)變速率以及壓縮次數(shù)決定了釬料中固相晶粒對母材表面相對作用的強弱，是影響氧化膜破碎、去除的關(guān)鍵參數(shù)，而不是所設(shè)定的振動頻率、振幅以及時間。研究發(fā)現(xiàn)隨著壓縮應(yīng)變、應(yīng)變速率以及壓縮次數(shù)的增加，界面上氧化膜發(fā)生破碎的區(qū)域逐漸增多，殘留的氧化膜逐漸減少。這里當(dāng)壓縮應(yīng)變、應(yīng)變速率以及壓縮次數(shù)分別為0.6、72s-1和900次（即振動頻率30Hz、振幅1.2mm和時間30s）時，母材表面上氧化膜的去除效果最好。
　　對SiCp