超声波作用下Zn-Al合金对SiC的润湿及复合机理

论文摘要

本文主要针对55%SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料,研究了超声波作用下Zn-Al钎料对55%SiCp/A356复合材料润湿性,特别是Zn-Al钎料对母材表面的SiC颗粒的润湿性及其润湿机制和焊缝的复合化工艺。试验结果表明,在钎剂的作用下,Zn-Al钎料能够对基体A356铝合金润湿,对20%SiCp/A356复合材料只有很少量局部点的润湿,但不能对55%SiCp/A356复合材料润湿,主要原因是其表面存在着大量的SiC颗粒,在钎剂的作用下Zn-Al钎料不能够润湿SiC颗粒,颗粒的凸出及钎剂对颗粒间基体表面的部分溶解形成凹坑,钎剂不能排出。在超声波作用下Zn-Al钎料对三种材料均能够润湿,在超声波作用时间达到1s时就能够对基体A356铝合金润湿,达到2s时,在空化作用下,Zn-Al钎料可以突破表面氧化膜及其与SiC颗粒之间的缝隙,从而与SiC颗粒形成良好的润湿。采用物理模拟的方法对超声波作用下Zn-Al合金对SiC颗粒的润湿机制进行了研究。首先,采用高温氧化处理的SiC颗粒与Zn-Al合金在550oC进行机械搅拌,通过TEM分析得到SiC颗粒与Zn-Al合金的界面处生成了MgAl2O4。然后,采用未经过处理的SiC颗粒与Zn-Al合金在420oC施加超声波作用60s,通过TEM分析后发现,Zn-Al钎料与SiC颗粒的界面平直,无化学反应及扩散溶解现象,分析认为是机械结合与物理结合。采用预置中间层工艺,研究了超声波作用下焊缝的复合化。首先,对不同的保温时间及温度下Zn-Al钎料与母材之间扩散溶解行为进行了分析,在保温5min后,母材的溶解层宽度能够达到最大值;在不同的温度保温5min,随着温度的增加,溶解层宽度增加,且与不同温度下最大溶解层宽度计算值相近似。然后,在一次超声波作用后,升到高温保温并施加二次超声波作用能够得到复合化焊缝,但超声波能够促进溶解扩散行为,因此简化工艺为在高温施加一次长时间超声波。最后,研究了不同超声波作用时间、温度、中间层厚度下的焊缝复合化工艺,随着超声波作用时间的延长,焊缝中SiC颗粒的含量增多,并趋于稳定值;随着温度的增加,焊缝中SiC颗粒的含量增多;除中间层厚度100μm,中间层厚度的变化对焊缝中SiC颗粒的含量基本没有影响。复合化焊缝中的颗粒含量能够达到35%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超声波在颗粒增强铝基复合材料制备和焊接中的应用
• 1.2.1 超声波的物理特性
• 1.2.2 超声波在制备金属基复合材料中的应用
• 1.2.3 超声波钎焊的应用
• 1.3 SiC 陶瓷与金属的界面结合研究
• 1.3.1 金属对SiC 陶瓷的润湿性
• 1.3.2 金属与SiC 陶瓷的反应结合
• 1.3.3 金属与SiC 陶瓷的扩散结合
• 1.4 本文的意义以主要研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 母材材料及SiC 颗粒
• 2.1.2 钎料和钎剂
• 2.1.3 SiC 颗粒
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 铺展润湿实验
• 2.3.2 机械搅拌实验
• 2.3.3 焊缝复合化工艺试验
• 2.4 微观组织分析
• 2.4.1 金相组织观察
• 2.4.2 SEM 组织观察
• 2.4.3 TEM 分析实验
• 第3章 超声波作用下Zn-Al 合金对SiC 颗粒的润湿性能研究
• 3.1 Zn-Al 钎料对A356 铝合金的润湿
• 3.1.1 钎剂作用下Zn-Al 钎料对A356 铝合金的润湿
• 3.1.2 超声波作用下Zn-Al 钎料对A356 合金的润湿
• 3.2 钎剂作用下Zn-Al 钎料对铝基复合材料的润湿
• 3.3 超声波作用下Zn-Al 钎料对铝基复合材料的润湿
• 3.3.1 超声波作用下 Zn-Al 钎料对 20%SiCp/A356 复合材料的润湿
• 3.3.2 超声波作用下 Zn-Al 钎料对 55%SiCp/A356 复合材料的润湿
• 3.4 超声波作用下不同钎料合金对SiC 陶瓷的润湿
• 3.5 机械搅拌条件下SiC/Zn-Al 的界面状态
• 3.5.1 机械搅拌条件下SiC/Zn-Al 微观结构及界面观察
• 3.5.2 机械搅拌条件下SiC/Zn-Al 界面形成机制
• 3.6 超声波作用条件下SiC/Zn-Al 的界面状态
• 3.6.1 超声波作用条件下SiC/Zn-Al 微观结构及界面观察
• 3.6.2 超声波作用条件下SiC/Zn-Al 界面形成机制
• 3.7 本章小结
• 第4章 55%SiCp/A356 复合材料复合焊缝工艺研究
• 4.1 最大溶解层宽度数值计算
• 4.2 Zn-Al 钎料与 55%SiCp/A356 复合材料的扩散溶解行为
• 4.2.1 不同保温时间下Zn-Al 钎料与母材的扩散溶解行为
• 4.2.2 不同温度下Zn-Al 钎料与母材的扩散溶解行为
• 4.3 超声波对溶解扩散行为的促进作用
• 4.4 超声波作用下焊缝复合化工艺
• 4.4.1 不同超声波作用时间下焊缝复合化工艺
• 4.4.2 不同温度下的焊缝复合化工艺
• 4.4.3 不同中间层厚度下的焊缝复合化工艺
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢