SiCp/A356半固态定点搅拌钎焊界面微观结构演变

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摘 要：以sicp/a356复合材料为研究对象，研究在非真空半固态搅拌钎焊下机械搅拌时间对界面的微观组织特征。研究结果表明：机械搅拌是基体氧化膜破碎的必要条件；在定点机械拌钎焊条件下，机械搅拌对基体氧化膜破碎效果明显，并且随着搅拌时间的增加，接头界面的破膜区在不断增大，并在接头界面处形成良好的冶金结合。

关键词：铝基复合材料；机械搅拌；界面结构；氧化膜；半固态

引言

随着航天航空、武器装备电子及汽车等领域的高速发展，具有高比强度、高比弹性模量、高尺寸稳定性、较好的耐磨性能等优点的颗粒增强铝基复合材料逐渐得到了规模应用，也是当前我国新材料基础研究的重点[1-2]。但是，由于颗粒增强铝基复合材料的特殊结构特点导致其焊接性很差，严重限制了该材料走向实用化。目前，国内外颗粒增强铝基复合材料采用的焊接方法主要有TIG焊[3]、激光焊[4]、钎焊[5]、瞬时液相焊[6-9]、扩散焊[10]、搅拌摩擦焊[11]等，其中固相连接由于可避免增强相烧损和界面反应，被认为较适于该种材料的焊接的方法，该方法需要在真空环境下进行，成为该类方法大规模应用的瓶颈。为了避免发生界面反应及试验所需的真空环境，文献[12-15]中提出一些关于非真空条件、外加能量下的连接方法，获得了很好的试验结果。

最近研究结果提出了一种有效经济地实现铝基符合材料非真空半固态搅拌钎焊新工艺，接头强度达到最大值160MPa，且接头断裂形貌主要为韧性断裂的特征。该工艺利用搅拌头施加适当的搅拌力场使得钎料中固相部分流变挤压、以至破碎待焊表面的氧化膜，氧化膜的破碎程度是评价焊接工艺参数是否最优的一个重要评价标准，而研究氧化膜的破碎行为有助于优化工艺参数。文章主要研究定点搅拌的时间对界面微观结构的影响规律。

1 试验

实验母材采用经过T5热处理的SiC颗粒增强A356铝基复合材料，SiC颗粒体积分数为15%，颗粒直径约为φ12.6？滋m，A356铝合金的化学成分如表1所示。钎料使用的是Zn27Al合金，其化学成分和固、液相线温度如表2所示。工件尺寸为3mm×40mm×50mm，钎料尺寸为2mm×4.5mm×30mm，搅拌头直径为1.5mm。试样安装在搅拌钎焊平台上，钎料预置于两待焊表面之间。定点半固态搅拌钎焊的示意图如图1所示。

实验步骤如下所述：通过电阻加热板将两块基材加热到455℃，保温三分钟。随后，将搅拌头插入半固态的钎料中，并且以1570r/min的速度进行旋转，搅拌头旋转时间为0～30s。在机械搅拌结束后，立即对焊件进行水冷。为了观察搅拌在氧化膜破碎方面所起的作用，专门设计不搅拌的钎焊试验。即在待焊面放置钎料，温度加热到升至455℃，保温三分钟，随后，将搅拌头插入半固态的钎料中，但不旋转，然后，立即对焊件进行水冷。试样经抛光后进行金相分析，使用扫描电子显微镜（SEM， JSM-6460LV）、和能谱仪（EDS）对接头的微观结构进行分析。

2 试验结果与分析

图2为钎料在温度为455℃保温3分钟后淬火所得到的微观结构，当温度为455℃时钎料Zn27Al的固相率为60%，可以看出，此时固相晶粒较多且形状较大，液相金属连续的分布在固相晶粒周围。在半固态搅拌钎焊过程中，较多较大的固相部分有利于搅拌头旋转的搅拌力场迫使半固态钎料中的固相部分去挤压、破碎以至去除待焊表面的氧化膜，此时，晶间液相去覆盖、润湿已露出新鲜金属的基体表面，最终与复合材料基体发生适当的扩散溶解[16]。

图3为搅拌时间为0s时的接头微观结构。图3a所示，在缺少搅拌的接头，半固态钎料不能充分地填充焊缝间隙，钎料与基体之间始终保持未连接状态。

图4为搅拌时间为5s后的接头显微结构，从图4a中可以发现有大部分界面未连接，仅有局部区域已经发生连接，且焊缝组织中存在大量孔洞。图4b是图4a的局部放大，接头的大部分界面是处于未连接状态。从线扫描元素扩散分布图（图4c）可以看出在未连接处有氧元素存在，铝元素含量从焊缝-界面-基体上快速增加，界面处有明显的锌扩散至基体表面。说明搅拌初期，钎料未能够完全填充焊缝间隙，但焊缝间隙比未搅拌的间隙来得小，表明搅拌的初始作用主要是减小半固态钎料与基体之间的间距，使得半固态钎料与基体直接发生接触。

图5为搅拌时间为10s的接头微观组织，从图5a中可以看出，基体表面已经与钎料开始有相互接触，有成线分布的破膜区存在于界面处，而未连接区域以断续状分布在界面上。未连接区域主要是以氧化皮为主的裂纹。图5c是图5b中黑实线的线扫描元素扩散分布图，从线扫描可以看出，在未连接区域中氧元素含量较大，其主要原因是氧化皮未去除彻底，在未连接区域同样存在Zn元素分布，说明在未连接区域能够在搅拌的同时产生Zn元素的扩散。

图6为搅拌时间为15s的接头微观结构，从图6a中可以看出在15s的搅拌作用下，钎料能够较好地填充焊缝，其表面氧化膜基本上已经破碎，同时钎料与基体产生良好的冶金结合，但仍然存在局部区域未能有良好的连接，特别是在SiC颗粒附近区域，如图6b中所示，这是因为在铝基复合材料的待焊面不仅仅只是铝基体的存在，同时也会有的SiC颗粒存在界面处，而SiC颗粒的润湿比铝基体要难得多。图6c为图6b中黑实线的线扫描元素分布图，从线扫描元素分布图中可以发现，在固相晶粒挤压的界面即没有足够液相部分去润湿的界面，其扩散十分有限。说明在搅拌中期，加强了界面氧化膜的破碎，并提高界面结合情况。

图7为搅拌时间为30s的接头微观结构，从图7a中可以看出，在搅拌30s后绝大部分的界面无氧化皮的存在，界面发生了良好的冶金结合，持续的搅拌能够进一步提高界面结合情况，同时其SiC颗粒也能够与钎料之间产生良好的润湿。

从以上试验结果看出，机械搅拌的作用：一是减小钎料与界面的间隙，迫使钎料与界面发生接触；二是迫使钎料挤压、破碎界面氧化膜，促进界面形成良好的冶金反应。

3 结束语

半固态搅拌钎焊工艺可以实现铝基复合材料的连接。界面的显微结构分析表明，在一定的机械搅拌强度条件下，当增加机械搅拌时间，基体表面的氧化膜破碎效果增强，有利于在接头界面处形成良好的冶金结合。搅拌初期，搅拌的主要作用是减小钎料与界面的间隙，迫使钎料与待焊界面发生接触，局部点的待焊面的氧化膜发生破碎；搅拌中期，搅拌的主要作用是挤压、破碎待焊界面的氧化膜，待焊面的氧化膜进一步破碎；搅拌后期，搅拌的主要作用是使氧化皮远离界面，焊料与母材产生一定的扩散。

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作者简介：罗泉祥，男，1986年生，硕士，助理工程师。

许惠斌，男，1971年生，博士，教授，现就职于重庆理工大学材料科学与工程学院。