專利名稱：一種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種鋁基復(fù)合材料與金屬的連接方法。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料具有高的比強度、比剛度、軸向拉伸強度和耐磨性，優(yōu)異的耐高溫性能和低的熱膨脹系數(shù)，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、抗疲勞性，以及在潮濕或輻射環(huán)境下良好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，是ー種理想的輕質(zhì)高強材料。碳纖維增強鋁基復(fù)合材料密度小于鋁合金，模量卻比鋁合金高2 4倍，在250°C時其抗拉強度仍能保持室溫抗拉強度的81%，其疲勞強度比鋁合金高38%。制成的構(gòu)件具有質(zhì)量輕、剛性好、較小的壁厚、較高的穩(wěn)定性，可大大提 高設(shè)備容量和裝載能力。用碳纖維增強鋁基復(fù)合材料制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架，熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好，可在較大溫度范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4倍。DWA公司用石墨纖維增強鋁基復(fù)合材料為NASA和Lockheed公司制造衛(wèi)星上的波導(dǎo)管。用這種材料制成的波導(dǎo)管不但軸向剛度高、膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性能好，而且比原用石墨/環(huán)氧ー鋁層復(fù)合制成的波導(dǎo)管輕30%。隨著C/A1復(fù)合材料工程化應(yīng)用進展的加快，材料自身及與其它材料之間的連接問題已變得越來越重要。纖維增強金屬基復(fù)合材料由基體金屬及增強纖維組成，焊接這種復(fù)合材料的難點在于，在較高的溫度下，金屬基復(fù)合材料中的基體與增強纖維之間通常是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，兩者的接觸界面上易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對材料性能不利的脆性相，這種反應(yīng)通常稱為界面反應(yīng)。碳在固態(tài)和液態(tài)鋁中的溶解度都不大，固溶度為O. 015% ;而在800°C、1000°C、IlOO0CiP 1200°C時的溶解度分別為O. 1%,0. 14%、016%和O. 32%.在室溫到1670°C的溫度范圍內(nèi)，Al與C反應(yīng)生成Al4C3的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能都為負(fù)值。因此，鋁與碳在熱力學(xué)上是不相容的，它們在低溫下已開始反應(yīng)，只是速度非常緩慢，隨著溫度的上升，反應(yīng)越來越劇烈，生成的Al4C3量也越來越多。兩者明顯發(fā)生作用的溫度根據(jù)基體成分和碳纖維結(jié)構(gòu)的不同而不同，約在400°C 500°C之間。焊接溫度在該范圍之上的焊接方法均會引起明顯的界面反應(yīng)。Al4C3為脆性針狀組織，可使基體與增強纖維之間的界面強度劇烈下降，嚴(yán)重惡化母材的性能。目前，對于纖維增強鋁基復(fù)合材料的連接主要集中在電弧焊、釬焊以及擴散焊等方法的研究，然而電弧焊由于熔池溫度較高、加熱面積較大，會導(dǎo)致增強相與基體發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)；擴散焊由于連接溫度高、加熱時間長，也同樣會導(dǎo)致界面反應(yīng)的大面積發(fā)生；釬焊中的軟釬焊雖然可以實現(xiàn)纖維增強鋁基復(fù)合材料的連接，但軟釬料焊接的接頭非常脆，冷卻過程中就可能發(fā)生斷裂。本發(fā)明提出ー種可以實現(xiàn)碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接方法，連接質(zhì)量較高，使碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬間達到很好的冶金結(jié)合，同時也不會惡化母材的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)焊接方法整體加熱溫度高，導(dǎo)致增強相碳纖維與鋁之間發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，惡化母材性能的問題，而提供了一種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法。本發(fā)明的一種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數(shù)將35 39份的鈦粉、58飛2份的鋁粉和2 4份的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5 I的比例放入磨球，在氬氣保護的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、將步驟ー獲得的混合粉末壓制成相對密度為609Γ80%且厚度為f3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設(shè)備內(nèi)，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準(zhǔn)中間層壓坯，進行引燃，待中間層引燃后，立即關(guān)閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。本發(fā)明的優(yōu)點一、本發(fā)明利用自行研制的自蔓延放熱中間層，并采用激光引燃技術(shù)，在常溫、大氣環(huán)境下即可實現(xiàn)纖維增強鋁碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接，同時不會影響復(fù)合材料的性能，很好的保持了母材的各種優(yōu)良特性。ニ、利用本發(fā)明中的中間層 連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬，中間層與兩側(cè)母材達到很好的冶金結(jié)合，連接質(zhì)量好，接頭強度可達30. 5MPa。自蔓延高溫連接(簡稱SHS連接)是利用SHS反應(yīng)的放熱及其產(chǎn)物來連接待焊母材的技木。本發(fā)明采用自制的放熱中間層，利用激光引燃中間層，實現(xiàn)碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。本發(fā)明中采用自制的粉末中間層，由Ti粉、Al粉、C粉按一定的重量配比組成，壓制成廣2_厚的圓柱體，放置在C/A1復(fù)合材料與金屬之間，裝配成“三明治”式結(jié)構(gòu)，放在激光器下進行引燃，同時施加一定的壓力，實現(xiàn)連接。本發(fā)明利用自制的粉末中間層中的Ti粉與C粉燃燒放出大量的熱，部分熔化與中間層接觸的C/A1復(fù)合材料與金屬，使二者發(fā)生冶金結(jié)合，實現(xiàn)連接。連接過程中Cf/Al母材不受熱，因此不會影響Cf/Al復(fù)合材料的性能，很好的保持了母材的各種優(yōu)良特性。


圖I為激光誘導(dǎo)自蔓延裝配圖；其中，I為激光，2為石墨螺栓，3為鋁基復(fù)合材料，4為中間層壓還，5為金屬，6為石墨卡具；圖2為碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的焊縫宏觀形貌圖；其中，圖中左側(cè)為Cf/Al復(fù)合材料，中間為中間層壓坯，右側(cè)為TiAl合金。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式的一種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強招基復(fù)合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數(shù)將35 39份的鈦粉、58飛2份的鋁粉和2 4份的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5 I的比例放入磨球，在氬氣保護的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、將步驟ー獲得的混合粉末壓制成相對密度為60°/Γ80%且厚度為f3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設(shè)備內(nèi)，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準(zhǔn)中間層壓坯，進行引燃，待中間層引燃后，立即關(guān)閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。本實施方式的優(yōu)點一、本實施方式利用自行研制的自蔓延放熱中間層，并采用激光引燃技術(shù)，在常溫、大氣環(huán)境下即可實現(xiàn)碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接，同時不會影響復(fù)合材料的性能，很好的保持了母材的各種優(yōu)良特性。ニ、利用本實施方式中的中間層連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬，中間層與兩側(cè)母材達到很好的冶金結(jié)合，連接質(zhì)量好，接頭強度可達30. 5MPa。
具體實施方式
ニ 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一所述的納米碳粉粒度為12500目。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一至ニ不同的是步驟一所述的鈦粉為325 1000目，鋁粉為325 1000目。其它與具體實施方式
一至二相同。 通過以下試驗驗證本發(fā)明的效果本試驗的一種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、稱取3. 7g的鈦粉、6. Og的鋁粉和O. 3g的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5 I的比例放入磨球,在気氣保護的條件下，以300r/min的速度球磨2. 5h，得到混合粉末；ニ、將步驟ー獲得的混合粉末壓制成相對密度為70%且厚度為Imm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設(shè)備(示意圖如圖I所示)內(nèi)，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準(zhǔn)中間層壓還，進行引燃，待中間層引燃后，立即關(guān)閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。本試驗的碳纖維增強鋁基復(fù)合材料為Cf/Al復(fù)合材料，購買自哈工大材料學(xué)院特種材料研究所 ，金屬為TiAl合金。本試驗圖I中的石墨卡具為半封閉結(jié)構(gòu)，頂層的石墨蓋中間留有ー個通過激光光斑的孔洞，兩邊采用石墨螺栓加壓，由于自蔓延的熱量散失過快，因此本試驗采用半封閉的結(jié)構(gòu)可以有效組織熱量的損失。對本試驗連接后的材料在掃描電子顯微鏡下進行背散射觀察，結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，中間層與兩側(cè)母材達到了很好的結(jié)合，在接頭中無明顯缺陷生成，TiAl合金一側(cè)有連續(xù)的反應(yīng)層生成，與碳纖維增強鋁基復(fù)合材料ー側(cè)，中間層與復(fù)合材料中的鋁基體由于熱膨脹系數(shù)差異較小，因此結(jié)合的也較為緊密。
權(quán)利要求
1.一種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，其特征在于激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數(shù)將35 39份的鈦粉、58飛2份的鋁粉和2 4份的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內(nèi)，按球料質(zhì)量比為5 I的比例放入磨球，在氬氣保護的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、將步驟一獲得的混合粉末壓制成相對密度為609Γ80%且厚度為r3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設(shè)備內(nèi)，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準(zhǔn)中間層壓坯，進行引燃，待中間層引燃后，立即關(guān)閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，其特征在于步驟一所述的納米碳粉粒度為12500目。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，其特征在于步驟一所述的鈦粉為325 1000目，鋁粉為325 1000目。
全文摘要
一種激光誘導(dǎo)自蔓延連接碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬的方法，它涉及一種鋁基復(fù)合材料與金屬的連接方法。本發(fā)明要解決傳統(tǒng)焊接方法整體加熱溫度高，導(dǎo)致增強相碳纖維與鋁之間發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，惡化母材性能的問題。本發(fā)明的方法為一、將鈦粉、鋁粉和納米碳粉混合均勻，球磨后得混合粉末；二、將混合粉末壓制成相對密度為60%~80%且厚度為1~3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬之間裝配成“三明治”，用激光引燃中間層后關(guān)閉激光器，即完成。本發(fā)明利用自蔓延放熱中間層，采用激光引燃技術(shù)實現(xiàn)連接，接頭強度達30.5MPa。本發(fā)明應(yīng)用于碳纖維增強鋁基復(fù)合材料與金屬連接領(lǐng)域。
文檔編號B23K26/42GK102689096SQ201210185510
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者馮廣杰, 劉政平, 劉羽, 利肇鶴, 張相龍, 李卓然 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)