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超声波作用下SiC与Zn-Al连接界面行为及焊缝强化机理

作　者: 张洋
导　师: 闫久春
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 铝基复合材料超声波钎焊润湿强化机制
分类号: TG454
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-38
  1.1 前言  15-16
  1.2 颗粒增强铝基复合材料焊接的研究现状  16-22
    1.2.1 颗粒增强铝基复合材料  16-17
    1.2.2 颗粒增强铝基复合材料焊接研究现状  17-22
  1.3 超声波焊在材料连接及冶金领域的应用  22-28
    1.3.1 高能超声波的特点  22-23
    1.3.2 超声波焊在材料连接及冶金领域的应用  23-28
  1.4 SiC 陶瓷与金属的界面结合研究  28-33
    1.4.1 金属与SiC 陶瓷的物理结合  29-30
    1.4.2 金属与SiC 陶瓷的反应结合  30-31
    1.4.3 金属与SiC 陶瓷的扩散结合  31-33
  1.5 颗粒增强铝基复合材料的增强机制及断裂行为  33-36
    1.5.1 颗粒增强铝基复合材料的强化机制  33-35
    1.5.2 颗粒增强金属基复合材料的断裂机制  35-36
  1.6 课题主要研究问题论述  36
  1.7 课题主要研究内容  36-38
第2章实验材料及方法  38-47
  2.1 实验材料  38-40
  2.2 实验设备及装置  40-41
  2.3 实验研究方法  41-44
    2.3.1 超声波作用下的润湿实验  41-42
    2.3.2 超声波作用下SiC 颗粒与Zn-Al 合金复合实验  42-43
    2.3.3 超声波钎焊连接工艺  43-44
  2.4 接头微观组织结构分析及力学性能测试  44-47
    2.4.1 微观组织分析  44-45
    2.4.2 力学性能测试  45-47
第3章超声波作用下Zn-Al 合金对SiC 陶瓷颗粒的润湿机理研究  47-76
  3.1 引言  47
  3.2 Zn-Al 钎料对A356 铝合金的润湿过程研究  47-53
    3.2.1 钎剂作用下Zn-Al 钎料对A356 铝合金的去膜润湿过程  47-51
    3.2.2 超声波作用下Zn-Al 钎料在A356 合金上的铺展去膜过程  51-53
  3.3 Zn-Al 钎料对低体分铝基复合材料的润湿过程  53-56
    3.3.1 钎剂作用下液态钎料对20% SiC_p/A356 复合材料的润湿过程  53-55
    3.3.2 超声作用下钎料在20% SiC_p/A356 复合材料表面的铺展过程  55-56
  3.4 Zn-Al 钎料对高体分铝基复合材料的润湿过程  56-63
    3.4.1 超声作用下钎料在高体分铝基复合材料表面的铺展过程  57-59
    3.4.2 超声作用下Zn-Al 钎料与高体分铝基复合材料的相互作用  59-63
  3.5 超声波作用下SiC 颗粒与Zn-Al 合金的界面结合状态  63-71
    3.5.1 机械搅拌条件下SiC_p/Zn-Al 复合体的微观结构  63-65
    3.5.2 超声波作用下SiC_p/Zn-Al 复合体的微观结构  65-67
    3.5.3 超声波作用下SiC_p/Zn-Al 复合体的界面结合机制分析  67-71
  3.6 超声波作用下液态钎料对SiC 陶瓷的润湿机制  71-75
    3.6.1 钎料中合金元素对SiC 陶瓷润湿性的影响  71-72
    3.6.2 超声波作用下液态钎料在陶瓷颗粒表面润湿的物理模型  72-75
  3.7 本章小结  75-76
第4章超声波钎焊工艺过程研究  76-90
  4.1 引言  76
  4.2 实验过程及方法  76-77
  4.3 超声辅助填缝行为研究  77-81
    4.3.1 液态钎料填缝过程  77-79
    4.3.2 焊接温度对钎缝致密性的影响  79-80
    4.3.3 复合材料表面处理状态对钎缝致密性的影响  80
    4.3.4 预留间隙对钎缝致密性的影响  80-81
  4.4 钎缝缺陷分析  81-85
    4.4.1 气孔缺陷的成因分析  81-83
    4.4.2 未填充缺陷的成因分析  83-85
  4.5 预置中间层超声波钎焊铝基复合材料工艺研究  85-88
    4.5.1 超声波作用下铝基复合材料连接界面变化行为  86-87
    4.5.2 超声波作用时间对接头强度的影响  87-88
  4.6 本章小结  88-90
第5章复合材料钎缝的形成工艺研究  90-106
  5.1 引言  90
  5.2 实验过程及方法  90-91
  5.3 Zn-Al 钎料与复合材料的扩散溶解行为  91-97
    5.3.1 最大溶解层宽度的计算  91-93
    5.3.2 保温时间对复合材料溶解宽度的影响  93-95
    5.3.3 升温温度对溶解层宽度的影响  95-97
  5.4 超声波作用下焊缝复合化工艺研究  97-104
    5.4.1 超声波作用时间对复合焊缝增强相含量的影响  97-101
    5.4.2 中间层厚度对复合焊缝增强相含量的影响  101-102
    5.4.3 焊接温度对复合焊缝增强相含量的影响  102-104
  5.5 本章小结  104-106
第6章 SiC 颗粒增强复合焊缝的强化机制  106-124
  6.1 引言  106
  6.2 SiC 颗粒增强复合焊缝的力学性能  106-108
  6.3 SiC 颗粒增强复合焊缝的显微组织分析  108-110
  6.4 SiC 颗粒增强复合焊缝断裂行为的SEM 原位观察  110-119
    6.4.1 7% SiC 颗粒增强复合焊缝断裂过程中的SEM 原位观察  110-112
    6.4.2 7% SiC 颗粒增强复合焊缝的断口形貌  112-114
    6.4.3 35% SiC 颗粒增强复合焊缝断裂过程中的SEM 原位观察  114-119
    6.4.4 35% SiC 颗粒增强复合焊缝的断口形貌  119
  6.5 SiC 颗粒增强复合焊缝的断裂行为分析  119-121
  6.6 SiC 颗粒增强复合焊缝的强化机制探讨  121-123
  6.7 本章小结  123-124
结论  124-126
参考文献  126-137
攻读学位期间发表的学术论文  137-138
攻读学位期间申请的专利  138-140
致谢  140-141
个人简历  141

超声波作用下SiC与Zn-Al连接界面行为及焊缝强化机理

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