分享：填料中锌含量和焊接温度对SiC/Al复合材料 接头性能的影响

陆宝山,李有智,关集俱

 (苏州工业职业技术学院,苏州 215104) 

摘 要:通过烧 结 铝 粉 和 碳 化 硅 微 粒 制 备 SiC/Al复 合 材 料,以 组 成(质 量 分 数/%)分 别 为 Al-20SiC、Al-20SiC-20Zn、Al-20SiC-40Zn的填料作为中间层材 料,在 420,520,600 ℃ 焊 接 温 度 下对复合材料进行扩散焊接,研究了填料中锌含量与焊接温度对复合材料接头性能的影响。结 果表明:在420 ℃焊接后,接头附近的锌呈明显团聚状态,而在520,600 ℃焊接后,接头附近未 见锌团聚现象,较高的焊接温度有助于锌的均匀扩散;采用 Al-20SiC-40Zn填料并在520 ℃焊接 后,接头发生了氧化,形成明显的裂纹;采用 Al-20SiC-20Zn填料焊接后试样的剪切强度大于采 用 Al-20SiC和 Al-20SiC-40Zn填料的,且随着焊接温度的升高而增大;随着填料中锌含量的增 加,接头的硬度提高,且均高于母材的;接头的硬度随着焊接温度的升高而增大,但增幅减小。 

关键词:复合填料;锌含量;焊接温度;SiC/Al复合材料;接头性能 中图分类号:TG331 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)03-0021-08

0 引 言 

采用传统的电弧焊接工艺焊接金属基复合材 料时接头 易 产 生 偏 析、气 孔、裂 缝、夹 渣 等 焊 接 缺 陷,从而降低 复 合 材 料 接 头 的 结 合 强 度[1]。扩 散 焊是一种固态连接工艺。该工艺在低于母材熔点 温度下对母 材 施 加 一 定 的 焊 接 压 力,从 而 实 现 母 材的连 接[2]。当 SiC 增 强 铝 基 复 合 材 料 中 的 SiC 强化相含量 增 加 时,复 合 材 料 固 态 扩 散 焊 接 的 难 度增大[3]。目前提高高含量强化相复合材料固态 扩散焊 接 头 性 能 的 研 究 主 要 集 中 在 工 艺 优 化 方 21 陆宝山,等:填料中锌含量和焊接温度对SiC/Al复合材料接头性能的影响 面[4]。在接触界面添加中间层材料进行扩散焊接 的方法具有 明 显 优 势:可 以 调 节 两 侧 母 材 的 相 容 性,避免出现 因 化 学 成 分 不 相 容 在 接 触 界 面 生 成 脆性相而 降 低 接 头 强 度 的 问 题[5] ;使 增 强 相 之 间 的扩散连接 变 得 相 对 容 易,同 时 还 能 有 效 避 免 焊 接界面处裂纹的萌生与扩展,降低残余应力,显著 提高焊接接 头 的 结 合 强 度[6]。因 此,添 加 中 间 层 材料的固态扩散连接技术引起了国内外科研人员 的广泛关注。BUSHBY 等[7]在555 ℃、10 MPa条 件下对钼和 块 进 行 了 固 态 扩 散 焊,发 现 接 头 的 剪 切强度只有25 MPa,而用铜箔作为中间层后接头 的剪切强度达到75 MPa。赵明久等[8-10]采用铝箔 作为中间层对 SiCp/2024Al复 合 材 料 进 行 固 态 扩 散连接,获得了较高质量的接头。ZHANG 等[3]采 用增加软合金中间层的方法连接高体积分数 SiCp 增强相的铝 基 复 合 材 料,发 现 接 头 获 得 了 与 低 体 积分数 SiCp 增强相的铝基复合材料接头相近的强 度。综上,中间层能有效提高接头的结合强度。 以锌和铝元素作为中间层材料进行扩散焊可 以降 低 焊 接 温 度,减 少 能 源 消 耗,增 加 经 济 效 益[11],这是由于锌在铝中的溶解度较高,铝与锌原 子间的相互作用力较弱,不易形成金属化合物,且 铝与锌的电 极 电 位 差 异 小,可 降 低 材 料 的 腐 蚀 程 度[12]。目 前,以 锌 铝 元 素 为 中 间 层 材 料 应 用 于 SiC/Al复合材 料 的 研 究 主 要 集 中 在 钎 焊、等 离 子 弧焊等方 面[13-14],而 应 用 于 固 态 扩 散 连 接 中 的 研 究鲜有报道,这 是 由 于 铝 基 复 合 材 料 表 面 致 密 的 氧化膜 严 重 阻 碍 了 2 个 连 接 表 面 之 间 的 扩 散 连 接,并且使用 机 械 或 化 学 方 法 将 氧 化 膜 清 除 后 又 会立即 生 成,在 高 真 空 条 件 下,氧 化 膜 也 难 以 分 解,从而影 响 了 原 子 扩 散。要 破 坏 连 接 界 面 上 的 氧化膜就需要将连接温度提高到接近铝的熔点或 在接合界面 上 施 加 很 大 的 压 力,但 这 又 不 可 避 免 地会使连接件产生过量的塑性变形[15]。因此铝基 复合材料的固态扩散连接受到很大的限制。为了 克服现有 研 究 中 的 技 术 瓶 颈,作 者 尝 试 在 SiC/Al 复合填料中 添 加 不 同 含 量 的 锌,在 不 同 温 度 下 对 SiC/Al复合材 料 进 行 扩 散 焊 接,研 究 了 锌 含 量 与 焊接温度对复合材料扩散焊接头性能的影响。

 1 试样制备与试验方法 

试验材料包括:平均粒径30μm 的铝粉和平均 粒径40μm 的SiC 微粒,二者的纯度均大于98%; 锌粉的平 均 粒 径 与 铝 粉 的 相 同,纯 度 为 99.99%。 所有试验材料均从国内市场采购。 按照 SiC质量分数为20%称取铝粉和 SiC 微 粒,倒入 QM-SB 型 行 星 式 球 磨 机 中 进 行 混 合,转 速为200r·min -1,球磨时间为4h,球料质量比为 10∶1,同时用无水乙醇进行保护;将球磨后的混合 料装入 规 格 ?50 mm 的 石 墨 模 具 中 进 行 预 压 成 型,然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结,烧结 温度 为 400 ℃,烧 结 压 力 为 400 MPa,时 间 为 30min,最终制得尺寸为?50mm×80mm 的SiC/ Al复合材料试样。对试样进行 T6处理(530 ℃固 溶4h,175 ℃人工时效8h)。采用排水法测得试 样的密 度 为 2.75g·cm -3,与 理 想 密 度 2.79g· cm -3较为接 近,相 对 密 度 高 达 98.6%,这 表 明 制 备 得 到 的 SiC/Al复 合 材 料 组 织 结 构 致 密。 用 XSP-10CA 型电子显微镜观察 SiC/Al复合材料试 样的显微 组 织,发 现 复 合 材 料 中 SiC 微 粒 分 布 均 匀,尺寸为33~37μm。 按照表1的成分进行配料,在 QM-SB 型行星 式球磨机中进行球磨,转速为200r·min -1,球磨时 间为4h,制备得到含锌质量分数分别为 0,20%, 40%的复合填料。用360 # 砂纸和钢丝刷打磨待连 接复合材料试样的待焊面以去除表面氧化膜,然后 用质量分数 5% 的 NaOH 溶液清洗试样表面。打 磨清洗后的试样待焊面尺寸约为?48 mm,用酒精 将质量约8g的复合填料调成浆料并均匀涂覆在待 焊面上,然后置于 Gleeble-3800型热力模拟试验机 中进行扩散焊接,焊接温度为420,520,600℃,压力 为220MPa,保温时间为30min。 表1 不同复合填料的组成 质量分数 Table1 Compositionofdifferentcomposite fillers massfraction % 种类 Al SiC Zn Al-20SiC 80 20 0 Al-20SiC-20Zn 60 20 20 Al-20SiC-40Zn 40 20 40 用 线 切 割 方 法 在 焊 接 试 样 上 截 取 尺 寸 为 20mm×10mm×5 mm 的包含接头的金相试样, 经磨抛,用王水腐蚀后,采用 XSP-10CA 型扫描电 子显微镜(SEM)的背散射电子模式观察接头的微 观形貌,使用 Xplore30型能谱仪(EDS)线扫描模式 分析接头附近的氧元素分布。以接头为中心截取 尺 寸 为 114mm×38mm×6mm的 试 样 ,按 照 22 陆宝山,等:填料中锌含量和焊接温度对SiC/Al复合材料接头性能的影响 图1 添加不同填料并在不同温度下焊接后接头附近的显微组织 Fig.1 Microstructuresnearjointafterweldingatdifferenttemperatureswithdifferentfillers HB6736-1993,使用JM-500型试验机进行室温剪 切试验,加载速度为1mm·min -1,剪切平面垂直于 连接界面;剪切断裂后断口截面经打磨、抛光,用王 水腐蚀后,用扫描电子显微镜观察断裂位置及断口截 面显微组织。采用 TUKON1202型微硬度试验机测 试接头的硬度分布曲线,载荷为9.8N,保载时间为 15s。 

2 试验结果与讨论

 2.1 显微组织

 由图1可以看出,添加 Al-20SiC填料并在不同 温度下焊接后,接头均存在孔隙缺陷,其数量随着焊 接温度的升高而减少。焊接温度的升高促进了原子 扩散,加速了粒子间的连结[16],同时减小了母材塑性 变形抗力,使母材的流动性能提高,从而使孔隙减少, 形成了更完整的接头。添加 Al-20SiC-20Zn填料并在 420℃焊接后,焊接接头附近颜色较浅的锌相呈明显 团聚状态,且多数团聚的锌相聚集于 SiC强化相周 围,这是焊接温度较低,无法提供足够热能使锌均匀 扩散导致的;当焊接温度升高至520 ℃时,焊接接头 附近的锌相无团聚现象,且部分锌相扩散至母材;当 焊接温度升高至600 ℃时,锌相均匀扩散至母材,说 明该焊接温度下有足够的热能驱动锌原子不断向母 材扩散。添加 Al-20SiC-40Zn填料并在420℃下焊接 时,焊接接头附近存在明显的锌颗粒,且锌颗粒围绕 或聚集于 SiC强化相周围;当焊接温度升高至520, 600℃时,接头附近未见锌团聚现象,较高的焊接温 度 有 助 于 锌 的 均 匀 扩 散。添 加 Al-20SiC-20Zn 和 Al-20SiC-40Zn填料并在420 ℃焊接后,接头未观察 到明显的孔隙缺陷,这是由于在连接界面添加低熔点 的锌填料及时填充了界面间的孔隙,有效提高了母材 的 连 接 强 度。 当 焊 接 温 度 为 520 ℃ 时,添 加 Al-20SiC、Al-20SiC-20Zn填料焊接后,接头无明显裂 纹,添加 Al-20SiC-40Zn填 料 后,接 头 出 现 了 明 显 的裂纹,这可能是由于铝与锌均为活性金属,当锌 含量 增 加 时 ,填 料 在 接 头 发 生 氧 化 。由 图2可 以 23 陆宝山,等:填料中锌含量和焊接温度对SiC/Al复合材料接头性能的影响 图2 添加不同填料、在520 ℃下焊接后接头附近的氧元素线扫描结果 Fig.2 Oxygenelementlinearscanningresultsnearjointafterweldingat520 ℃ withdifferentfillers 看出:在520 ℃下焊接时,添加 Al-20SiC-20Zn填料 的接头 氧 元 素 含 量 较 周 围 无 明 显 增 多,而 添 加 Al-20SiC-40Zn填料的接头氧元素含量在裂纹周围 急剧增多,推断填料中的锌含量较高时,接头发生了 氧化,形成的氧化物使接头产生明显的裂纹,这会降 低接头的结合强度。 添加 Al-20SiC-20Zn与 Al-20SiC-40Zn填料并在 600℃焊接后,接头光滑、平整,未观察到裂纹,这主 要归因于在高温高压下,颗粒间的空气被排挤出来, 降低了填料在接头发生氧化的概率。结合图1和 图3可以看出:添加 Al-20SiC-20Zn与 Al-20SiC-40Zn 填料并在600℃下焊接后,接头形成了铝与锌交错的 铝/锌层状共晶组织,使得填料的键合强度提高。这 两方面的因素均有助于提高接头的结合强度。 图3 添加不同填料、在600 ℃下焊接后接头附近的SEM 形貌 Fig.3 SEM morphologynearjointafterweldingat600 ℃ withdifferentfillers

 2.2 剪切强度

 图4 添加 Al-20SiC填料、在不同温度下焊接后接头的剪切强度 Fig.4 Shearstrengthofjointafterweldingatdifferenttemperatures withAl-20SiCfiller 由图4可知,添加 Al-20SiC填料后接头的剪切 强度随焊接温度的升高而增大。由图5可知:当焊 接温度在420,520 ℃时,试样的断裂位置均在接头 处,较低的焊接温度下接头的原子扩散能力较弱,造 成接头存在部分孔隙,导致试样在接头处断裂;在 600 ℃焊接温度下试样的断裂位置在母材处,当焊 接温度较高时,接头处的原子更易扩散,导致接头的 结合强度较母材的高,此时试样在结合强度较低的 母材处断裂。 由图6可以看出:添加 Al-20SiC-20Zn填料在 520 ℃焊接后试样的剪切强度最大,为137.75MPa, 添加 Al-20SiC 和 Al-20SiC-40Zn 填 料 试 样 的 剪 切 强度相对较低,这表明在填料中添加适当锌元素有 助于提高复合材料焊接试样的剪切强度,但过高的 锌含量反而会削弱其剪切强度。 由图 7 可 以 看 出:添 加 Al-20SiC 填 料 并 在 520 ℃焊接后,试样在接头断裂,且连接层中的铝基 体与强化相间出现明显裂纹;添加 Al-20SiC-20Zn 填料焊接后接头裂纹进一步扩展,并延伸至母材处; 添加 Al-20SiC-40Zn填料焊接后试样在接头断裂, 接 头存在的孔洞缺陷使裂纹沿接头加速扩展,因此 24 陆宝山,等:填料中锌含量和焊接温度对SiC/Al复合材料接头性能的影响 图5 添加 Al-20SiC填料、在不同温度下焊接后试样的断裂位置及断口截面组织 Fig 5 FracturepositionandsectionmicrostructureofsamplesafterweldingatdifferenttemperatureswithAl-20SiCfiller a c e leftsideand b d f rightside 图6 添加不同填料、在520 ℃焊接后试样的剪切强度 Fig.6 Shearstrengthofsamplesafterweldingat520 ℃ with addingdifferentfiller 剪切强度较低。 由图 8 可 知,添 加 Al-20SiC-20Zn 填 料 焊 接 后,试样的剪切强度随焊接温度的升高而增大,在 600 ℃时 剪 切 强 度 最 大,为 168.81 MPa。与 图 4 中添加 Al-20SiC填料、在 不 同 温 度 下 焊 接 的 试 样 剪切强度对比发现,在相同温度下,使用含锌填料 焊接试样的剪切强度较未添加锌填料焊接试样的 高,说明含锌 填 料 有 助 于 增 加 复 合 材 料 的 结 合 强 度,但较低焊 接 温 度 下 的 热 能 不 足 以 使 铝 基 体 与 SiC强化相间产生良好的键合作用,同时连接界面 的原子扩散效果也不佳,因此剪切强度较低;当焊 接温度较高时,除了铝基体与 SiC强化相间键合良 好外,连接界 面 处 原 子 的 充 分 扩 散 使 连 接 界 面 处 的结合更为紧密,因此试样的剪切强度较高。 由图9可以看出:添加 Al-20SiC-20Zn填料并 在420 ℃焊接后试样的断裂位置为接头处,由该断 裂位置可以判断出接头的剪切强度低于母材的,这 是由于焊接温度过低无法提供足够热能使铝基体与 SiC强化相形成良好键合;而当焊接温度为600 ℃ 时,试样在母材处断裂,600 ℃焊接温度接近铝基体 的熔点,该温度下接头更容易产生良好的键合,其结 合强度高于母材的,因此试样在母材处断裂。

 2.3 硬 度 

由图10可知,添加 Al-20SiC填料、在520 ℃焊 接后,接 头 的 硬 度 与 母 材 的 接 近,添 加 Al-20SiC20Zn填料焊接后,接头的硬度较母材的有大幅度提 高,添加 Al-20SiC-40Zn填料后,接头的硬度进一步 提高。当添加 Al-20SiC填料时,接头与母材的金属 基体都为硬度较低的铝,因此接头的硬度最低;而添 加锌至填料中,在接头处形成了铝/锌共晶组织,导 致接头的硬度提高;随着填料中锌含量的增加,接头 铝/锌共晶组织含量增多,硬度进一步增大。 由图11可以看出:添加 Al-20SiC-20Zn填料并 在不同温度焊接后接头的硬度均比母材的高,这是 接头铝/锌 的 共 晶 强 化 导 致。铝 锌 的 共 晶 温 度 为 382 ℃,随着焊接温度升高,接头共晶组织增多,硬 度增大。与420 ℃焊接后的试样相比,520 ℃焊接 后 试样接头的硬度大幅提高,这是较高的焊接温度 25 陆宝山,等:填料中锌含量和焊接温度对SiC/Al复合材料接头性能的影响 图7 添加不同填料并在520 ℃焊接后试样的断口截面裂纹形貌 Fig 7 Fracturesectioncrackmorphologyofsamplesafterweldingat520 ℃ withaddingdifferentfillers a c e leftsideand b d f rightside 图8 添加 Al-20SiC-20Zn填料并在不同接合温度焊接后试样的 剪切强度 Fig.8 Shearstrengthofsamplesafterhotpressingatdifferentjoint temperatureswithaddingAl-20SiC-20Znfiller 下接头的铝基体与SiC强化相间形成良好键合并生 成共晶相导致的。当焊接温度继续升高至600 ℃ 时,接头的硬度增加幅度并不显著,主要原因是接头 的共晶相已趋于饱和。 

3 结 论

 (1)填料中添加低熔点锌并在420 ℃焊接后, 接头附近的锌呈明显团聚状态,当焊接温度升高至 520,600 ℃时,接头附近未见锌团聚现象,较高的焊 接温度有助于锌的均匀扩散,并且当焊接温度高于 铝锌合金的共晶温度时,接头附近形成铝/锌共晶组 织;当焊接温度为520 ℃时,添加 Al-20SiC-40Zn填 料焊接后,接头发生了氧化,氧化物使接头形成明显 的裂纹。 (2)在填料中添 加 适 当 锌 元 素 有 助 于 提 高 复 合材料的剪 切 强 度,但 过 高 的 锌 含 量 反 而 会 削 弱 其剪切强度,添加 Al-20SiC-20Zn填料焊接后试样 的剪 切 强 度 大 于 添 加 Al-20SiC 和 Al-20SiC-40Zn 填料的,且随着焊接温度的升高而增大,在600 ℃ 焊接后,试样的剪切强度最大,为168.81 MPa。 (3)随着填料中锌含量的增加,接头的硬度升 高,且均高于母材的;接头的硬度随焊接温度的升高 而增大,但增幅减小。 

来源：材料与测试网