[發明專利]一種連接高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料與鈦合金的方法

有效

• 申請號: 201410077022.8
• 申請日: 2014-03-04
• 公開（公告）號: CN103894719A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 屈盛官;趙曉華;李小強;樓華山
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B23K20/00
• 分類號: B23K20/00;B23K20/233;B23K20/26
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 張燕玲

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，涉及一種鋁基復合材料與鈦合金的連接方法，特別涉及一種連接高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料與鈦合金的方法。

背景技術

高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基（SiC_p/Al）復合材料具有優異的結構承載功能、卓越的熱控功能以及獨特的防共振功能，它的比模量可以達到鋁合金和鈦合金的三倍，熱膨脹系數比鈦合金還低，熱導率則遠高于鋁合金，平均諧振頻率比鋁、鈦、鋼三大金屬結構材料高出60%以上，這種結構/功能一體化的綜合性能優勢使得此新型材料在航空航天精密儀器結構件、微電子器件封裝元件等領域有著廣闊的應用前景。然而，高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料在制作結構件時，不可避免與其他金屬進行連接，而TC4鈦合金的線膨脹系數只有8.8×10^-6K^-1,與復合材料的系數（8.3×10^-6K^-1）相近，所以常常會把這兩種材料連接起來。

對于高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料而言,由于其中的SiC顆粒的體積分數超過了50%,顆粒含量過高，且復合材料中增強相與基體之間的物理化學性能差異很大，在較高的溫度下，復合材料中的增強相與基體之間通常是熱力學不穩定的，兩者的接觸界面上易發生界面反應，生成對材料性能不利的脆硬相Al₄C₃。并且鋁基復合材料和鈦合金的熔點、導熱系數、線膨脹系數等物理性能相差懸殊，可焊接性較差，如線膨脹系數不同導致結合面上出現熱應力，由于冶金反應，在結合面上產生低熔點共晶或形成脆性金屬間化合物；因擴散系數導致接頭中形成擴散空洞；因電化學性能的不同，接頭可能產生電化學腐蝕，所以采用傳統的焊接方法很難實現可靠的連接。

目前，對于鋁基復合材料與鈦合金的連接主要集中在熔焊、采用中間層的固態擴散焊、釬焊等方法的研究，然而熔焊由于熔池溫度較高、加熱面積較大，會導致增強相與基體發生嚴重的界面反應；采用中間層的固態擴散焊與釬焊等方法均會因為中間層或釬料而引入其它化學成分，因此在對焊接件化學成分有嚴格要求時，這兩種方法均無法滿足要求。

發明內容

為了克服現有技術的缺點和不足，本發明的目的在于提供一種連接高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料與鈦合金的方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種連接高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料與鈦合金的方法，包括以下步驟：

（1）將鋁基復合材料與鈦合金的待焊接表面進行預處理；

（2）以鋁基復合材料在下、鈦合金在上的形式放入焊接模具中，兩者的待焊接表面緊密貼合；焊接模具的結構示意圖如圖1所示；

（3）將裝有鋁基復合材料與鈦合金的焊接模具放入熱壓爐內，然后抽真空,升溫至500℃～650℃后施加壓力，壓力值為5MPa～25MPa，并保溫保壓1h～3h，最后隨爐冷卻至室溫，即完成高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料與鈦合金的連接。

步驟（1）中所述的鋁基復合材料為高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，由鋁基體材料和SiC陶瓷顆粒增強相兩部分組成，其中SiC陶瓷顆粒增強相所占的體積分數為60～70%，鋁基體材料所占體積分數為30%～40%。

步驟（1）中所述的鋁基體材料為Al6061，其成分：以重量百分比（%）計，銅Cu:0.15～0.4、錳、Mn:0.15、鎂Mg:0.8～1.2、鋅Zn:0.25、鉻Cr:0.04～0.35、鈦Ti:0.15、硅Si:0.4～0.8、鐵Fe:0.7、鋁Al:余量。

步驟（1）中所述的預處理為對鋁基復合材料與鈦合金的待焊接表面進行精加工拋光處理，然后放入清洗劑中超聲清洗。

步驟（1）中所述的精加工拋光處理為對鋁基復合材料與鈦合金的待焊接表面采用砂輪在普通磨床上打磨拋光，使其表面粗糙度達到10μm；所述的清洗劑為乙醇；所述超聲處理條件為在功率600W、頻率60KHz時超聲清洗20min。

步驟（1）中所述的鋁基復合材料與鈦合金尺寸為：直徑60mm、厚度6mm。

步驟（1）中所述的鈦合金為TC4鈦合金,其化學成分：以重量百分比計，Fe≤0.30%、C≤0.10%、N≤0.05%、H≤0.015%、O≤0.20%、Al：5.5%～6.8%、V：3.5%～4.5%、其余為Ti。