高体积比SiC_p/6063Al复合材料真空钎焊工艺研究

作者:余月月;徐冬霞;田金峰;王东斌;陈思杰; 刊名:兵器材料科学与工程 上传者:李瑶

【摘要】采用Al-25Cu-8.5Si-0.3Y(质量分数/%)急冷钎料对镀镍高体积比SiC_p/6063Al复合材料进行真空钎焊,利用扫描电镜并结合EDS能谱分析对接头组织及断口形貌进行观察和分析,通过剪切试验探讨保温时间对接头剪切强度的影响。结果表明:镀镍层中的Ni元素与钎料中的Al、Cu发生化学反应并生成Al_3Ni_2和Al_3(CuNi)_2金属间化合物,说明6063Al合金/镀镍层/钎料箔三者之间通过相互扩散和溶解形成良好的冶金结合;在温度为550℃、保温30 min的条件下,获得最大的抗剪强度为121.34 MPa;断裂主要发生镀镍层与钎料的结合处,断口整体呈脆性断裂形式。

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金属基复合材料(MetalMatrixComposites,MMCs)在我国新材料领域备受青睐。这是由于其既保留了金属合金本身的特性,又具有增强相的优良特性[1]。碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/6063Al复合材料),因具有高比强度、低热膨胀系数、低密度及良好的导热导电性等优点,在航空航天、军工、电子工业等领域具有潜在的应用价值[2-4]。使用这种材料作为结构部件,需要合适的连接技术,但由于基体金属上存在SiC陶瓷增强相导致钎料在其表面上润湿性能差,采用普通的焊接方法容易产生气体、裂纹以及焊缝成形较差等缺陷[5-6],并且SiC颗粒会在熔焊过程中先发生溶解然后在焊缝中形成很多针状脆性相Al4C3,这些脆性相将会破坏基体铝与增强相之间的有效连接[7-8],因此需采用合适的焊接方法。其中,真空钎焊加热时间短、温度低,对SiC颗粒增强相的影响不大,并且基体与增强相之间的界面反应被减轻,因此广泛应用于SiCp/Al复合材料的连接[9]。作者用自制的Al-25Cu-8.5Si-0.3Y急冷钎料对镀镍后的SiCp/6063Al复合材料进行真空钎焊。探讨保温时间对接头强度的影响规律,重点分析母材表面的镀镍层与钎料界面之间的演化机理,并讨论接头剪切断口的断裂机理。1实验材料与方法采用Al-20Si、Al-10Y、纯Al和纯Cu这4种原料在高频感应真空熔炼炉中制备出钎料合金锭,通过真空单辊甩带装置将上述钎料合金制备成宽为8mm、厚为0.05mm的Al-25Cu-8.5Si-0.3Y(质量分数/%)箔状急冷钎料,由DSC测试结果可知,其温度区间为520~546。实验所用母材是通过无压浸渗法制备的SiCp/6063Al复合材料,其增强相SiC颗粒的体积分数为60%。用金刚石切割机将SiCp/6063Al复合材料加工成尺寸为20mm10mm2mm的试样。在钎焊时因为SiCp/6063Al复合材料中增强相的体积分数较高,造成钎料在该复合材料的润湿性较差[10],因此需要对母材进行表面金属化处理-化学镀镍。该方法产生的Ni-P合金镀层厚度为6m~7m,并具有良好的均匀性、耐腐蚀性,且与复合材料基体结合牢固[11]。为避免氧化物及油污对钎焊接头的润湿性造成影响,镀镍之前需要对母材表面进行处理,其流程可参照范晓杰等[12]试验完成相关操作,将清洗后的母材进行表面金属化处理,镀镍后SiCp/6063Al复合材料的微观形貌,见图1b。镀层厚度均匀,表层的胞状组织完整致密,Ni-P合金镀层可完全覆盖裸露的SiC颗粒。在ZHS-60型真空钎焊炉中对镀镍后的复合材料进行真空加压钎焊,真空度为6.5mPa,焊接接头的搭接长度为9mm。钎焊温度为550,升温速率为15/min,并使用如图2所示的夹具对试样进行固定。为保证钎焊温度的精确性,达到钎焊温度前有一个温度控制阶段,即在500下保温3~5min,然后升温到550保温30min,钎焊加热结束后随炉冷却,如图3所示。在AG-25TA型电子万能材料拉伸试验机上进行剪切试验,用JSM-6510型扫描电镜(SEM)结合EDAX能谱仪对钎缝界面结合组织及断口形貌进行观察和分析。2结果与分析2.1焊接接头显微组织分析在T=550、t=30min的钎焊条件下形成的镀镍SiCp/6063Al复合材料的钎缝形貌,如图4所示。钎缝中特征点的EDS能谱分析结果,如表1所示。由斯托克斯-爱因斯坦方程式可知:D=KT4r。(1)式中:D为扩散通量;T为绝对温度;K表示玻尔兹曼常数;r为扩散粒子的半径;表示黏度系数。从式(1)可以看出,扩散粒子的半径与其扩散

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