[發明專利]一種鋁基復合材料用Al-Si-Ti系三元活性釬料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010609694.0
• 申請日: 2010-12-28
• 公開（公告）號: CN102029480A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 張貴鋒;蘇偉;張建勛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K35/28
• 分類號: B23K35/28
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 汪人和

技術領域

本發明屬于材料制備技術領域，涉及一種釬料，尤其是一種鋁基復合材料用Al-Si-Ti系三元活性釬料及其制備方法。

背景技術

與金屬鋁材料相比，鋁基復合材料(Al?MMCs：aluminum?metal?matrix?composites)的陶瓷增強相雖然賦予了鋁基復合材料許多優越的性能(如比強度高，比剛度高，耐熱性強，耐磨性強，熱膨脹系數小等)，但是陶瓷增強相的存在嚴重惡化了鋁基復合材料的可焊性，對常用焊接技術或焊接材料提出了新的挑戰。

首先，鋁基復合材料難以采用熔焊(包括電弧焊，激光焊，電子束焊)工藝施焊，其存在問題可歸納如下。

(1)陶瓷增強相與金屬界面間(R/M)的有害界面反應：這一反應的原因在于熔焊情況下，鋁液嚴重過熱，足以與相對穩定的陶瓷增強相發生界面反應。該反應導致的不良后果有：反應消耗了增強相，使增強相或消失(高溫區)、或減少(中溫區)、或損傷(如增強相外周出現微裂紋；低溫區)；反應產物為有害產物，特別對于增強相為SiC的鋁基復合材料，其反應產物為針狀、易潮解、脆性的碳化鋁(Al₄C₃)，即使對于相對穩定的Al₂O₃陶瓷增強相，也會在877℃以上反應生成氣態的Al₂O低價化合物。(2)微觀偏聚：冷卻結晶過程中，陶瓷增強相并不會被剛結晶出的高溫固態金屬所粘附或捕獲，而是被金屬基體的凝固前沿排斥于焊縫中心，則在焊縫中心出現增強相偏聚，導致焊縫脆化。高熔點的陶瓷增強體并不會作為金屬凝固的形核點。(3)顆粒團聚與空洞：在陶瓷顆粒的偏聚區，不良的潤濕性會引發陶瓷顆粒會進一步團聚；并易于在團聚區的中心因潤濕性不良而形成金屬液相難以滲入的空洞。這也是一種潛在的裂紋源。(4)熔池粘度高導致與填充材料混合困難：熔池粘稠，流動性差，這樣，難以發揮填充材料對反應進行方向的合理調控。(5)高粘度易出現氫氣孔缺陷：熔池粘稠，使氣體逸出速度變慢，容易導致氣體來不及逸出殘留于固相中而形成氣孔。

與熔焊相比，復合材料母材不熔化，故可避免熔焊過熱情況下存在的有害界面反應；同時由于復合材料母材溶解有限，故可避免重新凝固造成的陶瓷顆粒分布不均勻的弊端；此外，釬焊工藝中加熱溫度低，不易引起復合材料母材組織與性能的熱蛻變(如基體晶粒過度長大等)。基于上述優點，釬焊獲得了國內外研究人員的重視，是一種具有適應面廣，組織優良的潛在優良工藝。

已報道的釬料合金系有：AA4405/AA3003/AA4405組合釬料層(其中AA4405為厚10μm的Al-10Si箔，3003為厚140μm的Al-1?to1.5Mn)；4N07(Al-12Si)，4N04(Al-11.6Si-1.48Mg-0.11Fe)；Al-10.36Si-1.31Mg，Al-11.93Si-2.14Mg，Al-10.77Si-3.22Mg；AWS?BAl4(Al-12.0Si-0.3Cu-0.2Zn-0.1Mg)；Al-12Si；Al-12.5Si-1.5Mg；Al-6Si-28Cu-2Mg；HL400(Al-12Si)(HL4XXX常配用QJ201)；HL401(Al-6Si-28Cu)，HL402(Al-10Si-4Cu)，HL403(Al-10Si-4Cu-10Zn)等。

然而，令人遺憾的是，傳統鋁材用釬料對鋁基復合材料的“潤濕性”很差。申請者將造成鋁基復合材料潤濕性很差的不利影響因素歸納為以下6項：

(1)內因方面：A.鋁基體表面存在致密、穩定、強固的氧化膜；B.液態釬料本身表面的氧化膜(危害更甚)；C.陶瓷增強相的存在直接減少了可潤濕面積；D.陶瓷增強相的存在使復合材料母材的熱膨脹系數(CTE：coefficient?of?thermal?expansion)減小，不利于鋁基體所在區域氧化膜的脹裂，尤其不利于高體積分數復合材料母材基體的破膜；另一方面，事實上，陶瓷增強相在基體中的分布并非絕對均勻，這樣，在陶瓷顆粒體積分數(Vf：volume?fraction)高的局部區域，其所含基體表面氧化膜的脹裂也因熱膨脹系數的減小而受到限制。

(2)外因方面受到如下限制(與制備工藝相比)：A.焊接溫度不允許高于基體熔點，這將影響氧化膜的破裂與移開，也不利于增大鋁液的活度及降低鋁液的表面張力；B.壓力不許引起大變形，這不利于改善陶瓷增強相與鋁材間的致密性，易出現結晶空洞。