【摘 要】
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Al2O3陶瓷铝蜂窝板是一种新型复合蜂窝板,具有承载强度高,隔音效果好,防火性能好等诸多优点,展现出在航空航天、汽车、建筑装修等领域的应用前景。Al2O3陶瓷铝蜂窝板的制备需要实现Al2O3陶瓷与铝合金的连接,然而大多数的连接方式为间接钎焊,工艺复杂,直接焊接的连接方式需要真空环境且焊接温度较高,这严重阻碍了陶瓷铝蜂窝板在建筑领域的大规模应用,针对这些问题本学位论文基于计算各Zn合金晶粒细化生长抑
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Al2O3陶瓷铝蜂窝板是一种新型复合蜂窝板,具有承载强度高,隔音效果好,防火性能好等诸多优点,展现出在航空航天、汽车、建筑装修等领域的应用前景。Al2O3陶瓷铝蜂窝板的制备需要实现Al2O3陶瓷与铝合金的连接,然而大多数的连接方式为间接钎焊,工艺复杂,直接焊接的连接方式需要真空环境且焊接温度较高,这严重阻碍了陶瓷铝蜂窝板在建筑领域的大规模应用,针对这些问题本学位论文基于计算各Zn合金晶粒细化生长抑制因子Q,分析筛选设计出了Al/Zn/Al叠加薄箔和Al/Zn/Al/镀Zn泡沫铜/Al/Zn/Al叠加薄箔两种中间层材料,使用超声波辅助条件下空气中瞬态液相连接（Transient Liquid Phase Bonding,TLP）的方法,实现了空气中低温连接Al2O3陶瓷与3003铝合金,研究接头微观界面组织和力学性能,并制作出陶瓷铝蜂窝板。发现当采用Al/Zn/Al作为中间层时,焊接温度530℃,超声时间3s,是超声波辅助TLP连接Al2O3陶瓷和3003铝合金最优工艺参数。此时接头的界面结构为3003Al/α-Al固溶体+小Zn-Al共晶颗粒（Ⅰ区）/α-Al固溶体（Ⅱ区）/富Zn相+Zn-Al共晶/Al2O3陶瓷。采用这项参数焊接接头的强度达到最大值54.79 MPa。焊接温度为550℃工艺下,当超声时间1s～5s内升高时,焊接接头剪切强度从20.70 MPa增加至47.25 MPa,组织由大块Zn-Al共晶相+α-Al固溶体+富Zn相转变为细颗粒Zn-Al共晶物+α-Al固溶体+富Zn相,超声时间5s～10s内升高时,焊接接头剪切强度降低至22.10 MPa,界面组织陶瓷侧由α-Al固溶体+小块Zn-Al共晶+富Zn相转变为α-Al固溶体+小块Zn-Al共晶+大块富Zn相。超声时间为3s工艺下,焊接温度从490～530℃内升高时,焊接接头剪切强度从8.43 MPa增加至54.79 MPa,组织由大块Zn-Al共晶相+α-Al固溶体+少量富Zn相转变为细小颗粒Zn-Al共晶物+α-Al固溶体+富Zn相（升高10%）,当焊接温度在530～570℃内升高时,焊接接头剪切强度降低至9.08 MPa,界面组织陶瓷侧由α-Al固溶体+小块Zn-Al共晶+富Zn相转变为小块Zn-Al共晶+α-Al固溶体+大块富Zn相（升高50%）。当采用Al/Zn/Al/镀Zn泡沫铜/Al/Zn/Al叠加薄箔作为中间层时,焊接温度达到550℃,超声时间为3s时的工艺条件下是焊接Al2O3陶瓷和3003铝合金的最优工艺参数。此时接头的界面结构为3003Al/α-Al固溶体+Zn-Al共晶颗粒+Cu Al2（Ⅰ区）/镀Zn泡沫铜+Zn-Cu合金+Zn-Cu-Al合金+α-Al固溶体（Ⅱ区）/富Zn相+Zn-Cu-Al化合物/Al2O3陶瓷。采用这项参数焊接接头的强度达到最大值27.23MPa。温度为530℃工艺下,随超声时间从0.5s增加到3s,焊接接头剪切强度从5.56 MPa增加至17.23 MPa,界面组织从泡沫铜+Zn-Al共晶相+Zn Cu化合物转变为Zn-Al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-Al合金+Cu Al2+α-Al+富Zn相,随超声从3s增加至5s,接头剪切强度增加至19.70 MPa,界面组织依旧为Zn-Al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-Al合金+Cu Al2+α-Al+富Zn相;超声时间为3s工艺下,焊接温度为490℃时,接头有较多深坑,接头抗剪强度只有1.7 MPa随着焊接温度从510℃逐渐升高至530℃,接头的抗剪切强度从10.87 MPa逐渐增大至17.23MPa,界面组织由α-Al+大块Zn-Al共晶相+Zn Cu化合物转变为界面组织由Zn-Al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-Al合金+Cu Al2+α-Al+富Zn相,从530℃升高至550℃,接头抗剪切强度增大至27.23 MPa,界面组织由界面组织由Zn-Al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-Al合金+Cu Al2+α-Al+富Zn相转变为Zn-Al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-Al合金+大量Cu Al2+α-Al+富Zn相。制得的陶瓷铝蜂窝板平压试验的最大破坏载荷达到1148.78N,平压强度最高达0.72 MPa。三点弯曲试验测得最大载荷370.47N,芯子最大剪切强为0.28MPa,面板强度为17.54 MPa,陶瓷板与蜂窝芯T型接头组织主要有α-Al固溶体和Zn-Al共晶物,可固溶强化接头,是阻止断裂的主要原因。本课题焊接方法连接Al2O3陶瓷与3003铝合金,采用Al/Zn/Al作为中间层的焊接接头最高剪切强度可达54.79 MPa,在直接焊接工艺中比目前最高强度33.7 MPa提高约63%,焊接温度由640℃降低至530℃,并实现空气中连接。
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