颗粒增强铝基复合材料焊接工艺与机理研究

论文摘要

颗粒增强铝基复合材料由于具有比强度和比模量高、耐磨、耐腐蚀、抗辐射及尺寸稳定性好等许多优点,在航空航天、兵器等国防工业和汽车、电子等民用工业具有广泛的应用前景,成为当今金属基复合材料研究和发展的主流。然而,由于复合材料的增强体与基体之间的熔点、导热性和热膨胀系数等热物理性能参量存在巨大差异,使得铝基复合材料的焊接性很差,采用常规的熔化焊方法焊接该类材料,焊缝表面成形不好,且易在焊缝金属中产生气孔、夹杂和微裂纹等缺陷,对于SiCp/Al复合材料,还会在增强体SiC颗粒与基体Al合金之间发生界面反应,生成脆性化合物Al4C3,严重降低接头力学性能。针对铝基复合材料焊接过程的特点,本文在全面总结铝基复合材料焊接过程中存在的问题基础上,以颗粒增强铝基复合材料Al2O3p/6061Al、SiCp/2124Al等作为研究对象,系统研究了颗粒增强铝基复合材料的脉冲氩弧焊焊接性及氩气保护条件下Al2O3p/6061Al炉中钎焊的可行性。通过采用不同填充材料及不同规范参数焊接工艺试验,以及对获得接头采用光学金相分析、拉伸断口扫描电镜（SEM）观察和接头X射线衍射（XRD）相结构分析,探讨了接头形成过程的机理以及获得高质量焊接接头应采取的措施。论文提出了在脉冲氩弧焊过程中采用合金化填充材料,通过合金元素Ti发生诱发反应的方法,以抑制SiC/Al之间的界面反应,同时新生成的TiC粒子又可作为增强体,从而提高接头强度。焊接过程中,微量脉冲的加入,一方面可减少焊接时对熔池的热输入,有利于减轻界面反应;另一方面可增强对熔池金属的搅拌作用,改善焊缝金属的流动性,有利于气体的析出,减少焊缝金属中气孔的形成,并使焊缝表面成形良好。研究结果表明,采用脉冲诱发反应的方法焊接SiCp/Al复合材料,获得的接头表面成形良好。金相组织观察显示,接头内部组织致密,未发现有气孔、夹杂和微裂纹等缺陷;拉伸实验及接头显微硬度测试表明,接头强度等力学性能没有大幅度下降,说明该方法用于焊接颗粒增强铝基复合材料可行。接头X射线衍射相结构分析检测到焊缝金属中存在TiC等增强相,进一步证实诱发反应的真实性。对氩气保护条件下Al2O3p/6061Al炉中钎焊性研究表明,采用氩气保护炉中钎焊颗粒增强铝基复合材料,具有操作简单,钎焊温度低,焊接变形小,去膜效果好等特点,通过采用合理的钎料、钎剂组合以及优化钎焊工艺参数,可以获得良好的钎焊接头质量。对钎焊接头形成过程的机理研究表明,钎焊过程中采用惰性气体Ar保护以及对接头施加微压力可大大改善钎料对母材的润湿性,

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 铝基复合材料概述
• 1.2 铝基复合材料焊接的主要方法及其特点
• 1.2.1 扩散焊
• 1.2.2 激光焊
• 1.2.3 摩擦焊
• 1.2.4 电阻焊
• 1.2.5 其它焊接方法
• 1.3 颗粒增强铝基复合材料电弧焊和钎焊的研究现状
• 1.3.1 电弧焊
• 1.3.2 钎焊
• 1.4 课题研究的目的及意义
• 1.5 课题研究的基本思路和主要内容
• 1.5.1 课题研究的基本思路
• 1.5.2 课题主要研究内容
• 第二章 研究方法与试验条件
• 2.1 研究方法
• 2.2 试件材料及焊接材料
• 2.2.1 试件材料
• 2.2.2 焊接材料
• 2.3 主要测试仪器与设备
• 2O₃颗粒增强铝基复合材料的脉冲氩弧焊'>第三章 Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的脉冲氩弧焊
• 3.1 填充材料选择原则
• 3.2 焊接工艺试验
• 3.2.1 不同填充材料对接头性能的影响
• 3.2.2 焊接参数对抗拉强度的影响
• 3.3 接头微观分析
• 3.3.1 接头微观结构
• 3.3.2 接头相结构分析
• 3.4 基体金属对增强体颗粒的润湿性
• 3.4.1 焊缝金属对增强体粒子的润湿行为
• 3.4.2 接头界面润湿性的改善途径
• 3.5 本章小结
• 第四章 SiC 颗粒增强铝基复合材料的脉冲氩弧焊
• 4.1 焊接工艺及性能实验
• 4.1.1 工艺试验
• 4.1.2 接头性能测定
• 4.2 接头微观界面结构分析
• 4.2.1 金相组织结构
• 4.2.2 拉伸断口扫描观察
• 4.2.3 接头相结构X 射线衍射分析
• 4.3 接头界面反应
• 4.3.1 接头界面反应热力学
• 4.3.2 接头界面反应动力学
• 4.4 本章小结
• 第五章 SiC 颗粒增强铝基复合材料脉冲诱发反应氩弧焊
• 5.1 脉冲诱发反应焊接机理
• 5.1.1 焊缝金属中增强体粒子的形成
• 5.1.2 诱发反应机制
• 5.2 焊接工艺试验及接头性能
• 5.2.1 工艺试验方案
• 5.2.2 接头性能分析
• 5.3 接头微观组织结构分析
• 5.3.1 接头组织及其元素线扫描
• 5.3.2 拉伸断口扫描观察
• 5.3.3 接头X 射线衍射相结构分析
• 5.4 进一步提高接头性能的措施
• 5.4.1 关于接头强度问题
• 5.4.2 关于气孔问题
• 5.4.3 SiC 粒子在焊缝金属中的分布
• 5.5 本章小结
• 2O₃颗粒增强铝基复合材料炉中钎焊'>第六章 Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料炉中钎焊
• 6.1 钎料对母材的润湿性
• 6.1.1 润湿性的影响因素
• 6.1.2 钎料选择
• 6.1.3 钎剂去膜机理
• 6.2 钎焊工艺
• 6.2.1 钎焊接头设计
• 6.2.2 钎焊工艺参数优化
• 6.3 钎焊接头界面微观结构分析
• 6.3.1 接合区微连接行为
• 6.3.2 钎焊接头相结构
• 6.3.3 接头合金元素的界面扩散
• 6.4 关于提高接头剪切强度的理论探讨
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 本文的主要贡献及创新点
• 7.3 后续研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文