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【高新金属材料(23)】复合材料连接技术
2020-10-19 09:23:59   来源:中国有色金属报    点击:

来源:中国有色金属报
责编·作者:王祝堂
MMCs的等离子弧喷涂连接工艺示意图
 
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  金属基复合材料(MMCs)是一类重要的新型结构材料,具有一系列的优秀性能:强度高、抗磨损、耐高温。而且,这些性能可根据使用场合来设计调整,在汽车、航空航天器、国防军工器械、舰艇船舶、运动产品等方面获得了日益广泛的应用,因此,它们的连接技术显得很重要。当今的金属基复合材料的基体多为轻合金,以陶瓷颗粒、纤维或石墨烯作为增强体,由于基体与增强体材料的性能迥异,使得这些先进材料的焊接成为一道门坎,成为大规模应用的障碍。
 
  目前,应用于MMCs的连接技术有:熔化焊(钨极惰性气体保护焊、电子和激光束焊、等离子弧焊),固相连接(扩散连接、摩擦焊和磁励电弧对接),接触电阻焊、储能焊、钎焊和胶粘、等离子弧喷涂、快速红外连接等等。这些常规的焊接工艺都可以用于连接金属基复合材料工件,不过复合材料种类繁多,所以用于连接MMCs工件的工艺也很多,在实际中应用就有约20种。
 
  ● 熔化焊接
 
  用于熔化焊接铝合金基复合材料工件的连接工艺有TIG法(钨极惰性气体保护焊接)、MIG法(熔化极惰性气体保护焊接)、EBW法(电子束焊接)、LBW法(激光束焊接)、电阻焊、储能焊、等离子弧焊等等。
 
  TIG焊是在惰性气体保护下,钨电极与焊接工件间产生电弧使工件局部熔化连接在一起,必要时可添加焊丝。对于铝基MMCs工件可采用常规TIG法工艺和设备焊接,但要作一些预处理或添加焊丝。MIG焊是把细直径电极丝放在待焊工件处,电极丝与工件之间产生电弧使工件熔化,为了保护熔化的高温熔体与材料,需在电极丝周围通以惰性气体。
 
  EBW焊是在真空条件下,将阴极发出的电子束通过正电压加速后用磁透镜聚焦于工件表面,电子束撞击待焊材料表面产生热量使工件熔化而焊接于一起,电子束的能量密度可达106W/cm2,而TIG法的密度只有102W/cm2。LBW法与EBW焊相似,也是一种能量束焊接工艺,能量密度约为106W/cm2,采用光学透镜聚焦,高能量密度的激光束与工件表面相互作用产生耦合效应使舍属基复合材料熔化焊于一起。脉冲和连续激光器都可用于焊接铝基MMCs。
 
  电阻焊是利用待焊材料之间的电阻,通以外接电流产生热量完成MMCs的焊接,但是这种工艺在焊接铝基复合材料时没有得到推广,因为焊缝质量不高。等离子弧焊法是把等离子气体在钨电极周围形成等离子弧来熔化MMCs使其焊于一起。储能焊接是把存于大容量电容中的电能快速释放出来使其焊接。可用该法自身焊接6061-T6/SiCp、6O61-T6/SiCf、6061-T6/B4 CP和2024-T6/B4 CP复合材料,以及6061/SiCp、与6061合金的焊接。该法的焊接效果比TIG法和LBW法的好一些,在焊缝中没有孔洞,也没有观察到SiCp、B4 CP增强体的破坏。
 
  ● 固相连接
 
  与熔化焊接法不同之处是,固相连接不存在工件熔化,因此不存在与熔化连接法有关的一些问题,不过对工件几何形状有所限制,而且加工后工件焊接处有较大的变形。主要有固相扩散连接法(SSDB)和过渡液相连接法(TLPDB)、摩擦焊、磁励电弧对焊(MIAB)。
 
  SSDB法是对所连接工件上加一小载荷,然后将其置于保护气氛或真空中使工件微变形并通过扩散连于一起。铝基复合材料的连接温度为325℃~520℃,扩散时间取决于温度,而温度则取决于合金种类,加工前应精心清洁材料表面,此法已用于连接航空航天器零件。TLPDB法是在被连接工件之间放一铜、锌、或银箔片作为中间层,加热工件至铝-铜、铅-锌、铝-银共晶温度,形成液相共晶,使MMCs工件连成一体。
 
  摩擦焊是利用两个工件相对摩擦产生的热量使工件连接。通常是固定一个工件于轴上,另一个绕轴旋转,旋转摩擦一定时间后,停止转动并加载使它们连成一体,此法已获得较多的实际应用。磁励电弧焊(MIAB)法是电弧在放射性磁场作用下绕管形工件的端部快速转动,产生热使工件连接,然后再经过锻造完成焊接。
 
  ● 钎焊与胶粘
 
  复合材料的钎焊始于上世纪60年代,目前的进展不大,钎焊不必熔化MMCs的基体材料,因此不存在基体与增强体的反应,增强体几乎没有破坏现象。胶粘是目前科技界较为关心的MMCs连接工艺,连接时不用加热,但连接前需进行表面预处理。胶粘剂为环氧树脂(epoxy)和聚丙烯(aerylic)。对胶粘Al2O3/6O61铝合金的研究表明,表面刻划技术对于提高粘接强度非常有效。粘接法是一种极具前景的复合材料连接工艺,接缝处耐腐蚀、抗疲劳、韧性高,可连接不同的金属基复合材料,接缝外表面光滑,但其主要不足处:接缝强度不高,寿命短等。
 
  ● 新型连接技术
 
  金属基复合材料的常规连接技术都存在一些难以逾越的困难,因此,科技界都在大力研发新的连接工艺。当前,较为成熟的工艺有两种:等离子弧喷涂法,焊接铝基MMCs;焊接钛基MMCs的快速红外连接法(RIJ)。
 
  等离子弧喷涂技术是一种有效的连接SiC或Al2O3颗粒增强6O61铝合金MMCs工件的有效新工芝(图1)。连接时输入的热非常少,基体材料不会熔化,因此接缝处几乎没有脆性Al4C3相、孔洞及热影响区(HAZ,Heat Affected Zon)的形成,如果喷涂粉末选择合适,工艺适当,接缝处的力学性能与焊接的基底复合材料的相近。采用此工艺连接铝合金复合材料时,对基底材料的预热十分必要,可以防上热喷涂后材料的过快冷却,降低基底与热喷涂材料之间的热胀冷缩差别,降低焊接基底材料的温度,防止熔融的喷涂金属颗粒与基底材料牢固粘结。连接后,对于热处理可强化铝合金复合材料还要进行固熔与时效处理,如2014铝合金基复合材料的固溶处理在500℃,时效温度160℃。
 
  快速红外连接法是一种快速、便捷、经济、实用的钛基复合材料的连接工艺,不需要真空环境,多用于连接SCS-61β21S钛基复合材料工件,21S是Ti-15 Mo-2.7 Nb-3A1-0.25 Si钛合金,增强纤维为147μm的SiCf,表面有厚3μm的富碳涂层,焊料是厚度为17μm的METGLAS钎焊箔5003,成分为Ti-15 Cu-15Ni。首先将放置好焊料的钛基MMCs样品置入红外炉内,以碳螺钉固定,不需要附加压力,加热室内通入氩气,以防氧化,加热20s~30s可达到预热温度1100℃,再加热5s~30s,连接后将样品快冷至室温。连接后接头抗剪强度可达610MPa~624MPa,接近钛基MMCs的层间抗剪强度。
 
 

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