铝基复合材料液相扩散焊接头区陶瓷颗粒/金属(P/M)界面的弱化、强化与断裂模式

本文观察了采用纯Cu箔的Al2O3p/Al复合材料液相扩散焊接头外观成形与断口特征发现:对接处周边存在一定的溶蚀与流失;断口上Al2O3颗粒既未破裂,也无粘结物生成,表面呈光滑状。断口特征表明,陶瓷颗粒/金属(P/M)界面结合弱而呈界面脱粘断裂方式(debonding fracture mode)。为此,提出了一种旨在改善P/M弱界面润湿性的新工艺——活性液相扩散焊,要求其所用中间层内必须同时含有降熔元素及可与陶瓷增强相反应的活性元素;研究了Ti的添加及含量对P/M弱界面的强化效果。所设计的Cu-(1～10wt.%)Ti系中间层在600℃均被顺利液化,并使Ti可以顺利地与Al2O3颗粒增强相反应;Ti的添加可以缩短液相流失距离;特别是避免了承载时P/M界面出现界面脱粘的断裂模式。当Ti的含量较低时,Al2O3颗粒增强相表面上出现细微、凹凸不平且不连续的界面粘结物(反应物);当Ti的含量较高时,P/M界面可形成强力结合,剪切测试中足以使一些陶瓷颗粒本身破裂,但Ti的过量添加会引起基体脆化,焊接面周边的环状缺口窄而深。

钛合金与铝合金异种金属钎焊的研究进展

钛合金在经济性和加工性方面不理想,导致其在实际工程应用中受限,而铝合金在某种程度上可以弥补这种缺陷,因此将钛合金和铝合金复合使用的构想应运而生。对钛合金和铝合金异种金属的可焊性进行了分析,以钛合金和铝合金钎焊为研究对象,重点论述了钛合金与铝合金钎焊连接所用的钎料及工艺等的国内外研究现状,并着重分析了Al基和Zn基钎料的润湿性、界面、钎缝组织及其优缺点。由相关文献分析可知,Al基钎料在真空、保护气氛或非真空外加辅助措施条件下对钛合金和铝合金都有良好的润湿性,但接头强度仍有待提高,金属间化合物较厚的问题需要通过优化钎料成分和焊接工艺进一步改善;Zn基钎料对钛合金的润湿性较差,但在适当的焊接工艺下可以获得力学性能较好的Ti/Al接头,剪切强度可达141MPa;使用Sn基和Cu基钎料获得的Ti/Al接头的力学性能低于Al基和Zn基钎料,且Sn基的钎料对两种母材的润湿性都较差,需要对母材表面进行预处理。

钛合金与不锈钢异种金属钎焊的研究进展

为了解决钛合金焊接性能和加工性能较差导致其在实际工程应用中受限的问题,提出了将钛合金和不锈钢复合使用的构想,并对钛合金和不锈钢的可焊性进行了分析。以钛合金和不锈钢钎焊为研究对象,重点论述了钛合金与不锈钢钎焊连接所用的钎料及钎焊工艺等的国内外研究现状,发现通过钎焊来连接钛合金与不锈钢在焊接接头质量、精度以及提高焊接生产效率等方面具有一定优势,但依然存在接头强度低、特殊条件下接头性能不稳定等问题,需要从钎料设计出发,辅助钎焊工艺和设备的改进,根据不同的应用工况,设计出对应成分的钎料。

高体积分数铝基复合材料Zn基钎料钎焊接头组织与性能

为了拓展高体积分数(70%)SiC颗粒增强铝基复合材料在电子封装领域的应用,从冶金思路出发,通过添加降熔元素Mg和Ga以改善钎缝/母材界面致密润湿,用3种Zn基中温软钎料在相同工艺参数(钎焊温度480℃,压力0.5MPa,保温30min)下钎焊铝基复合材料,重点分析了Mg、Ga元素的添加对钎焊接头组织、力学性能及润湿性的影响。Zn可深度扩散入基体内,改善基体/钎料(M/M)界面润湿性。力学性能试验结果表明:采用Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti钎料(熔化范围418~441℃)获得了平均剪切强度为16.6MPa的钎焊接头,均高于其他两种材料;采用优化后的1MPa压力时,Zn-25Al-10Ga-9Mg-1Ti钎料接头剪切强度可达30MPa。断裂表面和断裂路径分析表明,P/M(颗粒/金属钎料)界面是薄弱环节,同时钎缝中生成的块状Mg2Si相(含少量Al,约6%)也对接头的力学性能不利。3种含Mg量不同的钎料钎焊结果表明,Zn基钎料中Mg含量对M/M界面影响无显著差异,但对P/M界面润湿性与钎缝析出相(Mg2Si)有显著影响,这为优化Mg含量与钎焊规范(调控基体溶解与消除钎缝脆性)指明了方向。

SiC_p/ZL101铝基复合材料的原位强化活性液相扩散焊方法(In situ A-TLP)

提出了一种采用含有升熔型活性元素的三元活性钎料的'原位强化活性液相扩散焊'(In situ A-TLP)方法,并研制出一种可实现该新工艺的Al-Cu-Ti系三元活性钎料。该方法不仅使母材/钎缝界面(包括P/M界面)致密,还能实现钎缝本身的原位强化。突出特点在于后者:一方面在降熔元素Cu向母材扩散而实现等温凝固后,钎缝基体转变为综合性能优良的固溶体;另一方面,升熔型活性元素难以向母材中扩散而在凝固前沿局部处浓度会自动升高,足以在钎缝中通过结晶方式,原位形成含有升熔型活性元素的弥散分布的亚微米或微米级三元金属间化合物强化相;从而获得以亚微米或微米级三元金属间化合物Ti(AlSi)_2为强化相、以固溶体为基体的优质钎缝。在550℃焊接10%的SiC_p/ZL101(体积分数),接头性能达母材的99.7%;断裂路径可穿入母材并非全在界面与钎缝内。

搅拌摩擦钎焊制备铝/钢防腐双金属复合板新技术

针对传统搅拌摩擦焊因针的磨损而难以适用钢材的不足,西安交大焊接研究所开发了一种摩擦钎焊专利技术,并用其成功地制备了铝/钢(Al/steel)防腐双金属复合板。该技术以摩擦热作为热源,采用无针柱状搅拌头,并预置合适钎料在大气环境下施焊。与传统搅拌摩擦焊的区别在于,用母材的快速熔解代替其塑性变形(特别是较硬的钢材);可避免钢材对针端的磨损;无匙孔。与传统炉中钎焊相比,免用钎剂与保护气体;加热/冷却速率快;可导入压力以挤出多余低强度、低熔点钎料,并使焊缝致密并强化;多途径有效抑制金属间化合物过度增厚。

铝与钢、不锈钢、铜焊接,复合板制备及匙孔填充新技术——搅拌摩擦钎焊(FSB)的系列应用

对传统搅拌摩擦焊因针的磨损而难以适应较硬金属材料的不足,西安交通大学开发了一种"搅拌摩擦钎焊(friction stir brazing:FSB)"专利技术,并利用该技术成功焊接了铝/钢、铝/铜和铝/不锈钢异种金属搭接接头,且成功焊接了铝/钢和铝/不锈钢双金属复合板。该技术以洁净高效的摩擦热为热源,采用无针柱状搅拌头,并预置合适钎料在大气环境下施焊。与传统炉中钎焊相比,因工具对界面的挤压与扭转作用,具有明显的去膜优势;与传统搅拌摩擦焊相比,该技术用母材的快速溶解代替较硬材料的塑性变形,通过"界面扭转、挤压+膜下潜流(钎料的加入)+加压挤出"多种机制有效去除母材表面的氧化膜,且可以避免较硬材料对搅拌头针端的磨损,不产生匙孔。

铝/钢异种金属钎焊与固相焊新技术:搅拌摩擦钎焊(FSB)与嵌入式搅拌摩擦点焊(EFSSW)

为解决Al与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题,西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺——搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）,并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头,既避免了针的磨损,又获得了无匙孔的光滑外观;同时所得接头均断裂于Al母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于Al/steel焊接,还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备Al/steel双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究结果。

铝(铜)/不锈钢异种金属大直径搅拌摩擦钎焊界面组织特征与工具的去膜效果

为了同时消除搅拌摩擦搭接焊过程中搅拌针的磨损与匙孔、增大单次焊道的焊合面积,开发了无针工具并预置钎料的搅拌摩擦钎焊(FSB)新工艺。为进一步证明FSB可利用旋转工具借助机械途径破除界面氧化膜、改善润湿性,选折了表面氧化膜难破除的不锈钢(SUS)作为下板的两种异质金属组合(Al/SUS与Cu/SUS),采用Φ40 mm大直径无针工具与Zn箔钎料施焊。微观组织分析发现,Al/SUS组合在不锈钢界面侧形成了6～7μm连续金属间化合物层,并在Al侧形成了约20μm混有少量粒状物(含Fe)的混合层;特别是铜作上板的Cu/SUS组合,众多粒径约2μm不锈钢微粒被搅拌混入上板Cu材中,形成厚约5μm的复合材料式界面层。上述结果表明, FSB无针工具在直接搅拌上板表面的同时,又能间接搅拌焊接界面以破除界面氧化膜;同时界面处的搅拌破膜效果与上板的软化程度、屈服强度等因素有关。

Q690C低碳粒贝钢多层MAG焊接头组织与性能

为提高效率、获得理想断裂位置并改善热影响区韧性,对控扎控冷工艺生产的8 mm厚Q690C低碳粒贝钢,选用等强度匹配的焊丝,采用无预热、低热输入(10 k J/cm以下)三层全自动MAG工艺施焊.结果表明,无裂纹与成形缺陷;拉、弯与冲击性能均合格.焊缝为针状铁素体,韧性优异;仅在较窄的部分相变区(单道约0.2~0.4mm)因回火而出现软化,但未对抗拉性能形成危害;因热输入低,拉伸断裂位置距焊缝更远;虽然熔合区与粗晶区为粗大平行上贝板条束+M-A组元,出现了硬化,但低热输入的低过热效果与两次后续焊道对贝氏体基体的明显回火作用改善了熔合区在0℃的冲击韧性.

镁锂超轻合金搅拌摩擦焊及其机制的研究

镁锂(Mg-Li)超轻合金作为一种新型超轻合金在国防军工及民生方面应用广泛。研究了国产双相Mg-Li合金LA103Z在搅拌摩擦焊后的力学性能、微观组织及显微硬度,并对其微观机理进行了分析。结果表明,Mg-Li超轻合金对搅拌摩擦焊呈现优良的可焊性,搅拌区未发现非致密性缺陷与裂纹,得益于其优良的塑性变形能力;搅拌区的强度与显微硬度均远高于母材,得益于其粗大α相的机械破碎及随后发生的破碎后α相碎屑的过饱和固溶。

搅拌摩擦处理(FSP)——一种新型绿色表面强化技术

搅拌摩擦处理(friction stir processing缩写为FSP)是由美国密苏里大学(University ofMissouri)的R S MISHIRA于2000年基于搅拌摩擦焊工艺提出的材料改性与制备新技术。简要概述了搅拌摩擦焊(friction stir welding缩写为FSW)的优点及其焊接机理,介绍了FSP的优点与典型应用(包括细化晶粒、消除铸造缺陷与制备表面复合材料),重点介绍了基于FSP制备耐磨表面复合材料层的技术。强调指出:FSP可同时通过细化晶粒(可达200 nm)与嵌入陶瓷颗粒增强相来大幅提高铝、镁的表面硬度;FSP以摩擦热作为热源,用机加工的方法实现表面强化,是一种新型优质、绿色的固态表面强化技术。

采用Al及Al-12Si中间层的AZ31B镁合金TLP接头的组织和性能

采用Al及Al-12Si为中间层对AZ31B镁合金进行过渡液相扩散焊,用环境扫描电镜及万能试验机测试并分析了接头组织与强度之间的关系。研究结果表明:采用Al作为中间层时,随着保温时间的增加,Al12Mg17金属间化合物含量降低,接头强度升高;采用Al-12Si作为中间层时,含硅相Mg2Si对焊缝的强化提高了接头强度,但保温时间过长时,Mg2Si偏聚于焊缝中心会降低接头性能。

铜合金塑性与成分对其与钢材搅拌摩擦钎焊可焊性的影响

为了解决搭接搅拌摩擦焊中出现的搅拌针磨损、焊接区域窄、钩型缺陷等问题,将搅拌摩擦钎焊(FSB)技术分别应用于含锡铅青铜(Cu-Sn-Pb)、H62黄铜及T2紫铜与45钢的连接,以研究上方铜合金塑性与成分对界面接合的影响。结果显示,以Sn作钎料的T2/45钢接头表面成形好,焊合率95%,仅在前进侧出现局部未焊合缺陷;以Zn作钎料的含锡铅青铜/45钢组合因该铜合金热裂而无法形成接头,原因是含锡铅青铜中偏聚的铅块会导致热裂纹,并使润湿性变差;以Zn作钎料,H62黄铜/45钢接头表面成形光滑,但因界面冶金反应不够充分,接头强度低。研究表明,FSB中上方工件的室温与高温塑形和成分分别对焊接接头表面成形和界面反应有显著影响;Cu-Sn-Pb过度溶解(溶穿出现裂纹)与H62黄铜溶解不足都影响结合强度,T2紫铜适度溶解与合金化有利于改善界面致密性与强度。