论文部分内容阅读
高体积分数颗粒增强铝基复合材料具有潜在的应用前景,是当前金属基复合材料研究的热点。然而,由于陶瓷颗粒与填充材料润湿性能差,导致其焊接性差,这就严重地限制了这种材料的工程应用。本文以SiC颗粒增强的高体积分数颗粒增强铝基复合材料为主要对象,研究了超声波作用下液态钎料在复合材料表面铺展并润湿表面陶瓷颗粒的过程,分析了超声波作用下液态钎料与陶瓷颗粒的界面结合类型,探讨了超声辅助焊接过程的可行性及焊接工艺,获得了复合材料焊缝,实现了焊缝中增强相颗粒含量的控制,采用SEM动态拉伸等测试手段,研究了复合材料焊缝的断裂过程及断口形貌,并分析了含有不同体积分数增强相颗粒的复合材料焊缝的力学性能及强化机制。超声波作用下,液态钎料可以在高体积分数颗粒增强铝基复合材料表面铺展,铺展后由于钎料表面存在氧化膜,钎料与陶瓷颗粒间存在气体及杂质,阻碍了钎料合金与陶瓷颗粒的紧密接触。超声波作用下,铺展在颗粒表面的液态钎料内产生空化作用,空化泡崩溃产生的高压破坏了钎料表面的氧化膜及颗粒表面的气体,使液态钎料与SiC颗粒直接接触,形成润湿结合。采用物理模拟的方法,超声制备液态钎料与陶瓷颗粒复合体,并观察其结合界面。发现超声波作用下,液态钎料与陶瓷颗粒之间界面结合紧密,界面处无反应物或扩散现象发生,是一种由润湿而形成的电子结合。基于超声润湿行为的基础上,研究了超声辅助毛细填缝钎焊过程的可行性及焊接工艺。发现钎缝中形成的缺陷主要为气孔和未填充夹气缺陷。气孔的形成原因是由于复合材料表面凸凹不平,这种缺陷可以通过改变复合材料表面粗糙度消除。未填充夹气缺陷的形成原因是由于复合材料表面状态不均匀,颗粒聚集区铝合金填充不致密,对超声波的传递效果差,导致复合材料表面振幅分布不均匀,液态钎料不能整齐划一的向前流动,形成大量的小包围缺陷,这种缺陷可以通过改变钎料填充方式消除。采用合适的超声波钎焊工艺,接头抗剪强度可达165MPa。为了实现钎缝与复合材料结构一致性,使钎缝强度提高,有必要形成复合材料焊缝。复合材料钎缝中的增强相颗粒来自于母材,超声波作用下破碎母材表面氧化膜,液态钎料向母材表层扩散溶解,使其表层能形成一定宽度的半固液态溶解层,溶解层及其内部包含的SiC颗粒在超声振动条件下可以被搅入钎缝中,与原来的钎料合金混合,形成新的复合材料焊缝。最大溶解层宽度随着焊接温度的提高而提高,通过控制溶解层的宽度可以控制复合材料焊缝中增强相颗粒的体积分数,复合材料焊缝的增强相体积分数由7%提高到35%,压剪强度由157MPa提高到232MPa。由SEM动态拉伸过程发现,复合焊缝中裂纹首先在共晶组织中形核,由于载荷向SiC颗粒传递,SiC颗粒多发生断裂。复合焊缝中α-Al固溶体塑性变形能力强,拉伸过程中不易发生断裂,阻碍了微裂纹的汇集,并使裂纹扩展方向偏转。随着复合焊缝中颗粒含量的增加,裂纹扩展路径由平直变得曲折,且稳态扩展时间增加。复合材料焊缝的主要强化机制为基体成分变化,共晶组织减少,α-Al固溶体含量增加,由此引起的强化机制;复合焊缝中SiC颗粒含量增加导致增强体承载强化及基体合金的位错强化机制。