液態(tài)釬料與鋁基復(fù)合材料超聲潤(rùn)濕復(fù)合機(jī)理及其應(yīng)用研究.pdf

1、鋁基復(fù)合材料（AlMMCs）具有比一般合金材料優(yōu)良的比強(qiáng)度、比剛度、尺寸穩(wěn)定性和耐磨損等性能，尤其是近年來(lái)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(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。但是，由于該類(lèi)材料增強(qiáng)相與基體物理、化學(xué)性能的巨大差異，焊接性較差。這使加工具有一定復(fù)雜形狀、難以通過(guò)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(fù)合材料擴(kuò)大應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　制約鋁基復(fù)合材料接頭質(zhì)量及其應(yīng)用

2、的兩個(gè)基本問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)填充材料同時(shí)與基體材料和增強(qiáng)相材料的物理潤(rùn)濕復(fù)合和復(fù)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(diǎn)，以Al2O3、SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為主要對(duì)象，通過(guò)研究超聲波作用下液態(tài)釬料與AlMMCs的潤(rùn)濕復(fù)合行為，創(chuàng)新性地提出了該種材料非真空、無(wú)釬劑條件下的超聲波毛細(xì)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(qiáng)相顆粒運(yùn)動(dòng)、遷移和分布規(guī)律以及陶瓷顆粒/釬料復(fù)合體的凝固行為，獲得了可控的、復(fù)合化的焊縫組織，接頭性能顯

3、著提高，為鋁基復(fù)合材料可靠、高效地焊接開(kāi)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(rùn)濕行為研究發(fā)現(xiàn)，大氣環(huán)境中、從母材導(dǎo)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(fù)合材料表面實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)濕鋪展，當(dāng)超聲振幅小于10μm時(shí)，釬料潤(rùn)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(duì)潤(rùn)濕界面的聲壓場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，只有當(dāng)超聲振幅達(dá)到10μm后，潤(rùn)濕界面才可產(chǎn)生較大的聲負(fù)壓

4、，而當(dāng)超聲振幅小于10μm時(shí)，只有局部的潤(rùn)濕界面產(chǎn)生較大的聲負(fù)壓，而其它潤(rùn)濕界面處的聲負(fù)壓值接近零。計(jì)算的結(jié)果初步說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果。
　　Zn-Al釬料可通過(guò)鋁基復(fù)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(wú)關(guān)。當(dāng)潛流發(fā)生時(shí)，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(dāng)潛流現(xiàn)象不發(fā)生時(shí)，釬料首先通過(guò)氧化膜裂縫與母材基體發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)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(rùn)濕結(jié)合后，釬料成為陶瓷顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料：亞微米級(jí)的顆粒以顆粒團(tuán)的形式存在，而微米級(jí)的以單個(gè)顆粒的形式存在。
　　基于超聲潤(rùn)濕行為的基礎(chǔ)上，探討了超聲輔助毛細(xì)填縫焊接過(guò)程的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，在不潤(rùn)濕的基礎(chǔ)上，超聲波作用可實(shí)現(xiàn)釬料的水平填縫過(guò)程，釬料的液－氣界面初始為凸界面，當(dāng)界面潤(rùn)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(shí)間大于3s，預(yù)留間隙100～400μm。接頭中殘留的氧化膜往往是斷裂源，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低。釬料填縫結(jié)束后，焊縫各個(gè)區(qū)域氧化膜的破除并不同步，需延長(zhǎng)超聲波作用時(shí)間使?jié)櫇窠缑娴难趸氐灼瞥?。無(wú)氧化膜及陶瓷顆粒增強(qiáng)的接頭強(qiáng)度取決于釬料的強(qiáng)度。為了提高接頭性能，有必要形成復(fù)合焊縫，但需保證其中的增強(qiáng)相均勻分布。
　　為了獲得復(fù)合焊縫，可將復(fù)合材料共晶液相層中的陶瓷顆粒通過(guò)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(shí)間范圍分別為10～25μm和2～10s，振幅過(guò)小、作用時(shí)間過(guò)短不足以使顆粒分布均勻，振幅過(guò)大容易導(dǎo)致熔體發(fā)生霧化現(xiàn)象，作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)熔體中出現(xiàn)顆粒聚集現(xiàn)象。透明介質(zhì)中顆粒運(yùn)動(dòng)遷移的動(dòng)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)及Stokes理論計(jì)算了顆粒的上浮速率。實(shí)驗(yàn)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(shí)，顆粒的上浮速率幾乎線性降低。理論計(jì)算值的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但在數(shù)值上有所偏差，在此基礎(chǔ)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(guò)程中基體晶粒的過(guò)度生長(zhǎng)是導(dǎo)致增強(qiáng)相顆粒發(fā)生偏聚的主要

9、原因。利用超聲波對(duì)SiCp/Zn-Al復(fù)合體凝固過(guò)程中的晶粒細(xì)化及顆粒分布控制研究表明：超聲波的作用方式對(duì)基體組織的細(xì)化以及顆粒的分布有非常重要的影響，采取適當(dāng)?shù)暮銣靥幚恚谝欢ǖ墓滔喾輸?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(shí)現(xiàn)顆粒的均勻分布，同時(shí)又可獲得組織細(xì)化的效果。
　　超聲波作用"破碎已形成的枝晶"在組織細(xì)化過(guò)程中起到了主導(dǎo)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