SiCp/Al复合材料振动辅助半固态钎焊微观机制及工艺研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cqxiaoguai1986
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SiCp/Al复合材料具备诸多优点而具有广阔的应用前景,但由于其特殊的材料结构和组成,导致其焊接性较差,难以获得高质量的焊接接头,这严重地制约了它的实际工程应用。振动辅助半固态钎焊技术,能够在大气环境下、不使用钎剂就可对 SiCp/Al复合材料进行焊接,并获得高强度的接头,具有重要的工程应用价值。为此,本文对 SiCp/Al复合材料振动辅助半固态钎焊的微观机制以及工艺进行了研究。制备了一种适合振动辅助半固态钎焊的Zn-Al合金钎料;研究了Zn-Al合金钎料在半固态下的等温压缩变形行为,分析了钎料中的固相晶粒在压缩过程中对母材表面的相对作用;研究了振动作用下SiCp/Al复合材料表面氧化膜破碎的物理机制;研究了振动的压缩应变、应变速率以及压缩次数对表面氧化膜破碎的影响规律;对SiCp/Al复合材料以及Al合金进行了振动辅助半固态钎焊工艺研究。  为了满足振动辅助半固态钎焊的特殊要求,基于Zn-Al二元合金体系,并通过提高 Al含量来扩大合金的固-液温度区间,以及在半固态下重熔并保温处理使内部晶粒球化,制备了一种固-液温度区间达117℃、晶粒圆整细小的Zn-27Al合金钎料。该钎料在半固态温度区间442-450℃,对应固相率范围为56.5%-70%,在具有抵抗变形能力的同时,还能具有良好的流动性,在机械振动作用下呈周期性的“挤出-拉回”状态,能够动态平衡地充填焊缝而不被挤出,适合振动辅助半固态钎焊使用。钎焊温度最终选择445℃,此时半固态钎料的固相率为64%。  利用电子万能材料试验机对Zn-Al合金钎料在半固态下的压缩变形行为进行研究。发现在压缩过程中,试样内部可以划分为:固相晶粒只发生轻微变形的难变形区,和固相晶粒发生了严重塑性变形的大变形区。在不同的变形区内,固相晶粒对母材表面的相对作用是不一样的。在试样中部的难变形区内,固相晶粒受到强烈的三向压缩应力状态作用,对母材表面的相对作用表现为压缩-挤压作用,且应力值很大;在试样外围的大变形区内,固相晶粒在向外变形、运动的过程中,对母材表面产生剪切-刮擦混合作用。并且发现试样的形状因子(H/D)越小,在压缩过程中其内部大变形区从边缘向中心扩展、几乎遍及整体,只有中心处一小部分区域还处于难变形区,使得试样接触表面上的变形情况变得复杂,导致接触表面上固相晶粒对母材表面的相对作用变得强烈,从而有利于在振动作用下破碎母材表面上的氧化膜。Zn-Al合金钎料片的形状因子(H/D)最终选择0.1。  母材表面氧化膜的破碎与钎料中固相晶粒在振动压缩过程中对母材表面的相对作用密切相关。在振动辅助半固态钎焊过程中,半固态钎料中部对应于压缩的难变形区,在振动过程中固相晶粒会对母材表面施加一个强烈的压缩-挤压作用,使得母材发生局部塑性变形而内凹,导致覆盖在母材表面上的氧化膜发生撕裂而破碎;此外固相晶粒自身会发生塑性变形并沿着界面向外铺展,从而进一步排除母材表面上的氧化膜。钎料外围则对应于压缩的大变形区,固相晶粒在振动过程中发生向外地滑移运动,对母材表面产生一个剪切-刮擦混合作用,从而剪切并剥离母材表面上的氧化膜。  在振动辅助半固态钎焊中,振动的压缩应变、应变速率以及压缩次数决定了钎料中固相晶粒对母材表面相对作用的强弱,是影响氧化膜破碎、去除的关键参数,而不是所设定的振动频率、振幅以及时间。研究发现随着压缩应变、应变速率以及压缩次数的增加,界面上氧化膜发生破碎的区域逐渐增多,残留的氧化膜逐渐减少。这里当压缩应变、应变速率以及压缩次数分别为0.6、72s-1和900次(即振动频率30Hz、振幅1.2mm和时间30s)时,母材表面上氧化膜的去除效果最好。  对SiCp/Al复合材料进行振动辅助半固态钎焊,母材表面上的氧化膜能被彻底破碎、去除,在界面上母材与钎料之间形成良好的冶金连接。钎焊接头中虽然有一些气孔存在,但由于尺寸较小、数量较少,并不影响接头性能;钎焊接头的剪切强度达到121MPa,与母材强度相同。对Al合金进行焊接时,也能有效的去除Al合金表面上的氧化膜,在界面上形成冶金结合,说明振动辅助半固态钎焊工艺同样适用于Al合金的焊接。
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