本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于納米多層膜自蔓延連接高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的方法，適用于高體積分?jǐn)?shù)的陶瓷增強(qiáng)相鋁基復(fù)合材料的同種、異種材料連接，尤其適合焊接熱膨脹系數(shù)差異較大的材料。

背景技術(shù)：

金屬基復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比剛度、高比模量、耐磨性、抗輻射和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)在航空航天、武器裝備、電子工業(yè)、汽車、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。其中，以sicp/al為代表的不連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，因其基體質(zhì)量輕，制造工藝簡(jiǎn)單，且可用常規(guī)金屬加工方法制造各種形狀的型材和零件，適于工業(yè)化批量生產(chǎn)，成為目前價(jià)格最便宜、應(yīng)用最廣的一種金屬基復(fù)合材料。

鋁基復(fù)合材料中，增強(qiáng)體顆粒如sic等與基體鋁合金之間的熱物理性能如熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等相差懸殊，導(dǎo)致該類材料的焊接性很差。這類材料連接時(shí)，除涉及金屬基體的結(jié)合外，還涉及金屬與非金屬或金屬化合物的結(jié)合。采用鋁合金常用的焊接方法進(jìn)行增強(qiáng)相與基體的連接難度很大，焊接高溫條件下，sicp/al復(fù)合材料中的增強(qiáng)體sic與基體之間會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)，生成脆性化合物al4c3，嚴(yán)重降低接頭的力學(xué)性能。

高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料釬焊時(shí)，焊接溫度、保溫時(shí)間、中間層的選擇是難點(diǎn)。當(dāng)用較低溫度釬焊時(shí)，釬料熔化不足，并且焊縫界面上的sic顆粒會(huì)增加液態(tài)釬料的粘滯性，導(dǎo)致液態(tài)釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性及填縫性能都變差，進(jìn)而導(dǎo)致焊接接頭的抗剪強(qiáng)度較低。隨著連接溫度的升高，釬料熔化度得以改善，釬縫逐漸變細(xì)，接頭強(qiáng)度也隨之增大，但由于al的熔點(diǎn)為657℃，當(dāng)釬焊溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)加劇母材的熔化，熔融的母材向釬縫過(guò)渡，加強(qiáng)釬料與母材的相互作用，致使sicp聚集嚴(yán)重、母材過(guò)燒、晶粒變粗大，力學(xué)性能降低。此外，sic體積分?jǐn)?shù)越大，釬料與母材的潤(rùn)濕性越差，在接頭處越容易形成弱連接，降低接頭強(qiáng)度。王鵬等人對(duì)60vol％sicp/al復(fù)合材料真空釬焊時(shí)，隨著釬焊溫度和保溫時(shí)間的增加，熔融釬料對(duì)復(fù)合材料的潤(rùn)濕性提高，釬料通過(guò)擴(kuò)散與基體形成冶金結(jié)合，但超過(guò)最佳溫度和保溫時(shí)間時(shí)，接頭會(huì)出現(xiàn)氣孔(高體積分?jǐn)?shù)sicp/6063al復(fù)合材料真空釬焊工藝及潤(rùn)濕機(jī)理研究,熱加工工藝[j],2014,3(43):155-160)。亓鈞雷等人研究了al-si-mg/cu箔/al-si-mg(aca)中間層對(duì)高體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料真空釬焊的影響， 結(jié)果表明aca中間層兼具了銅和al-si-mg釬料的優(yōu)點(diǎn)，可降低釬料的液相線，增加其流動(dòng)性，通過(guò)cu原子優(yōu)先在鋁合金基體與其氧化膜的界面處擴(kuò)散發(fā)生共晶反應(yīng)，增強(qiáng)釬料的去膜作用，從而實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)45％sicp/al復(fù)合材料的高質(zhì)量連接(中間層對(duì)高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料真空釬焊的影響,焊接學(xué)報(bào)[j],2014,4(35)：49-52)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在焊接過(guò)程中增強(qiáng)相燒損及接頭處生成針形脆性相的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于納米多層膜自蔓延連接高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的方法，利用納米多層膜作為熱源實(shí)現(xiàn)快速局部移動(dòng)加熱，瞬間釋放熱量，該方法對(duì)母材的熱影響小，減少顆粒增強(qiáng)相的燒損，提高接頭強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的高質(zhì)量連接。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于納米多層膜自蔓延連接高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的方法，具體步驟如下：

步驟1，在釬料中機(jī)械添加體積分?jǐn)?shù)為5％～20％的sic顆粒；

步驟2，將高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料待焊表面用砂紙打磨至出現(xiàn)黑色sic顆粒，清洗干凈，依次按高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料、釬料、al/ni納米多層膜、釬料、高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的順序形成三明治裝配；

步驟3，垂直步驟2中按順序裝配的試樣表面均勻地施加10mpa～200mpa的壓力，然后用電火花點(diǎn)燃al/ni納米多層膜，電火花電壓為9～30v，反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，撤去壓力。

本發(fā)明中所述的高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料中sic體積分?jǐn)?shù)為50％～80％，待焊接的高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料中的sic體積分?jǐn)?shù)可相同或不同。

本發(fā)明所述的釬料為al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn。

優(yōu)選地，步驟2中，所述的釬料層的厚度為25～30μm。

優(yōu)選地，步驟2中，所述的al/ni納米多層膜的厚度為40～120μm。

本發(fā)明通過(guò)在釬料中添加sic顆粒，減少接頭中脆性相的生成，并在焊接過(guò)程中熔鑄形成sicp/al復(fù)合材料，提高了接頭強(qiáng)度，改善接頭的性能。

本發(fā)明中的al/ni納米多層膜作為局部熱源，在室溫下即可引燃，燃燒反應(yīng)可以在空氣中進(jìn)行，反應(yīng)迅速，且對(duì)母材的熱影響小，在連接過(guò)程中可以減少sic增強(qiáng)相的燒 損及al4c3針形脆性相的生成。燃燒后溫度可以高于母材熔化的溫度，但母材基本不熔化，不同膜厚度的放熱量不同，可根據(jù)焊接試驗(yàn)條件要求確定不同的膜厚度參數(shù)，燃燒放出的熱量足以熔化釬料，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的連接。

本發(fā)明利用納米多層膜作為熱源，在電火花引燃下發(fā)生自蔓延反應(yīng)，連接時(shí)，納米多層膜兩側(cè)熔化的釬料通過(guò)裂縫融合成為一體，薄膜自蔓延反應(yīng)后生成alni化合物，較脆，其在破碎時(shí)消耗了很大一部分熱應(yīng)力，降低了殘余應(yīng)力對(duì)釬縫的影響，避免焊接組件產(chǎn)生大的焊接變形。此外，連接過(guò)程中對(duì)焊接整體持續(xù)施加壓力，促進(jìn)釬料的熔化和潤(rùn)濕，焊接接頭剪切強(qiáng)度比利用其他釬焊方法時(shí)明顯提高，實(shí)現(xiàn)了高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的高質(zhì)量連接。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料、釬料、al/ni納米多層膜、釬料、高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料按順序形成的三明治裝配結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。

一種基于納米多層膜自蔓延連接高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的方法，具體步驟如下：

步驟1，在釬料中機(jī)械添加體積分?jǐn)?shù)為5％～20％的sic顆粒；

步驟2，將高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料待焊表面用砂紙打磨至出現(xiàn)黑色sic顆粒，清洗干凈，依次按高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料、釬料、al/ni納米多層膜、釬料、高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料的順序形成三明治裝配；

步驟3，垂直步驟2中按順序裝配的試樣表面均勻地施加10mpa～200mpa的壓力，然后用電火花點(diǎn)燃al/ni納米多層膜，電火花電壓為9～30v，反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，撤去壓力。

本發(fā)明中所述的高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料中sic體積分?jǐn)?shù)為50％～80％，待焊接的高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料中的sic體積分?jǐn)?shù)可相同或不同。

本發(fā)明所述的釬料為al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn，式中數(shù)字為各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為余量。

優(yōu)選地，步驟2中，所述的釬料層的厚度為25～30μm。

優(yōu)選地，步驟2中，所述的al/ni納米多層膜的厚度為40～120μm。

如圖1所示，高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料(1)、釬料(2)、al/ni納米多層膜(3)、釬料(2)、高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料(1)按順序形成的三明治裝配結(jié)構(gòu)，其中待焊接的高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料(1)中的sic體積分?jǐn)?shù)可相同或不同。壓力均勻垂直施加于高體積分?jǐn)?shù)sicp/al復(fù)合材料(1)的表面。

實(shí)施例1

步驟1，在al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-10sic釬料中機(jī)械添加sic顆粒，sic的體積分?jǐn)?shù)為20％；

步驟2，將sic體積分?jǐn)?shù)為50％的sicp/al復(fù)合材料待焊表面用砂紙打磨至出現(xiàn)黑色sic顆粒，之后放入丙酮中超聲清洗5min，水洗然后在酒精中超聲清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al復(fù)合材料、釬料、al/ni納米多層膜、釬料、sicp/al復(fù)合材料的順序放好，形成三明治裝配，al/ni納米多層膜的厚度為40μm，釬料層的厚度為25μm，對(duì)擺放好順序的試樣預(yù)加壓力為200mpa，然后用9v的電火花點(diǎn)燃，發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)在瞬間完成，實(shí)現(xiàn)材料的連接，待冷卻到室溫后，撤去壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明：釬縫與母材連接緊密，焊接接頭未出現(xiàn)氣孔、孔洞、未焊合等缺陷，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到124.8mpa，而真空加壓釬焊方法所得到的剪切強(qiáng)度約為83mpa。

實(shí)施例2

步驟1，在向al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-15sic釬料中機(jī)械添加sic顆粒，sic體積分?jǐn)?shù)為5％；

步驟2，將sic體積分?jǐn)?shù)為80％的sicp/al復(fù)合材料待焊表面用砂紙打磨至出現(xiàn)黑色sic顆粒，之后放入丙酮中超聲清洗5min，水洗然后在酒精中超聲清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al復(fù)合材料、釬料、al/ni納米多層膜、釬料、sicp/al復(fù)合材料的順序放好，形成三明治裝配，al/ni納米多層膜的厚度為120μm，釬料層的厚度為30μm，對(duì)擺放好順序的試樣預(yù)加壓力為10mpa，然后用30v的電火花點(diǎn)燃，發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)在瞬間完成，實(shí)現(xiàn)材料的連接，待冷卻到室溫后，撤去壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明：釬縫與母材連接緊密，焊接接頭未出現(xiàn)氣孔、孔洞、未焊合等缺陷，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到123.7mpa，而真空加壓釬焊方法所得到的剪切強(qiáng)度約為94.3mpa。

實(shí)施例3

步驟1，在al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-15sic釬料中機(jī)械添加sic顆粒，sic的體積分?jǐn)?shù)為10％；

步驟2，將sic體積分?jǐn)?shù)為70％的sicp/al復(fù)合材料待焊表面用砂紙打磨至出現(xiàn)黑色sic顆粒，之后放入丙酮中超聲清洗5min，水洗然后在酒精中超聲清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al復(fù)合材料、釬料、al/ni納米多層膜、釬料、sicp/al復(fù)合材料的順序放好，形成三明治裝配，al/ni納米多層膜的厚度為60μm，釬料層的厚度為25μm，對(duì)擺放好順序的試樣預(yù)加壓力為100mpa，然后用18v的電火花點(diǎn)燃，發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)在瞬間完成，實(shí)現(xiàn)材料的連接，待冷卻到室溫后，撤去壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明：釬縫與母材連接緊密，焊接接頭未出現(xiàn)氣孔、孔洞、未焊合等缺陷，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到125.4mpa，而真空加壓釬焊方法所得到的剪切強(qiáng)度約為89.4mpa。

實(shí)施例4

步驟1，在al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-15sic釬料中機(jī)械添加sic顆粒，sic體積分?jǐn)?shù)為10％；

步驟2，將sic體積分?jǐn)?shù)為70％的sicp/al復(fù)合材料待焊表面用砂紙打磨至出現(xiàn)黑色sic顆粒，之后放入丙酮中超聲清洗5min，水洗然后在酒精中超聲清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al復(fù)合材料、釬料、al/ni納米多層膜、釬料、sicp/al復(fù)合材料的順序放好，形成三明治裝配，al/ni納米多層膜的厚度為60μm，釬料層的厚度為25μm，對(duì)擺放好順序的試樣預(yù)加壓力為150mpa，然后用18v的電火花點(diǎn)燃，發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)在瞬間完成，實(shí)現(xiàn)材料的連接，待冷卻到室溫后，撤去壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明：釬縫與母材連接緊密，焊接接頭未出現(xiàn)氣孔、孔洞、未焊合等缺陷，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到124.3mpa，而真空加壓釬焊方法所得到的剪切強(qiáng)度約為90mpa。