脈沖電流輔助粉末夾層TLP連接SiCp/Al接頭微觀組織和力學性能

王 博, 賴小明, 易卓勛, 張凱鋒

(1.北京衛星制造廠 機電產品事業部, 北京 100094； 2.哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150001)

脈沖電流輔助粉末夾層TLP連接SiCp/Al接頭微觀組織和力學性能

王 博1, 賴小明1, 易卓勛1, 張凱鋒2

(1.北京衛星制造廠 機電產品事業部, 北京 100094； 2.哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150001)

研究脈沖電流輔助瞬間液相(Transient Liquid Phase, TLP)擴散連接技術，采用粉末中間層，利用低壓高強脈沖電流通過鋁基復合材料搭接面與中間層，從而實現對SiCp/2024Al復合材料板材的TLP擴散連接。分析不同工藝參數下連接試樣的微觀組織和力學性能，探索脈沖電流對鋁基復合材料連接的影響機理。結果表明：采用真空壓強為1×10-3Pa，平均電流密度115 A/mm2，連接預緊壓力為0.5 MPa，連接時間60 min條件下，連接接頭形成了良好的冶金連接界面，無缺陷產生；通過對連接接頭微觀組織觀察發現，在脈沖電流作用下，接頭原位生成彌散的高強度高硬度金屬間化合物增強相，有效地提高了接頭的力學性能。

瞬間液相擴散連接；脈沖電流；粉末中間夾層；鋁基復合材料

隨著航空航天科學技術的應用與發展，降低航天飛行器結構的質量、提高航天飛行器有效載荷能力的要求越來越迫切。鋁基復合材料具有高比強度、比剛度以及耐磨、耐腐蝕和良好的高溫性能，兼有結構材料和功能材料的特點，將在航空航天、電子和汽車工業等領域得到廣泛的應用[1-3]。然而，由于鋁基復合材料復雜的宏觀和微觀結構，使得復合材料的連接要比均質材料困難得多，例如，它的表面存在一層穩固氧化膜、基體合金與增強相之間的物理和化學性質相差較大等問題造成焊接性能較差，采用常規的焊接方法時，在焊縫極易出現氣孔、偏聚和界面反應等缺陷，難以獲得優質焊接接頭[4-6]。因此，要使鋁基復合材料廣泛地應用于各個方面，必須成功解決碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的焊接。

瞬間液相 (Transient Liquid Phase, TLP) 擴散連接技術滿足了這些難連接金屬基復合材料的連接需要，不僅能夠有效地破壞鋁基體表面的氧化膜[7-8]，而且能夠在比釬焊低的溫度下進行連接，無須施加壓力或只需施加很小的壓力，獲得的接頭組織和性能較好[9-10]。本研究提出脈沖電流輔助TLP擴散連接技術，采用粉末中間層，利用低壓高強脈沖電流通過鋁基復合材料搭接面與中間層，產生焦耳熱、高溫等離子燒結效應，從而實現對SiCp/2024Al復合材料板材的TLP擴散連接，通過分析不同工藝參數下連接試樣的微觀組織和力學性能，探索脈沖電流對鋁基復合材料連接的影響機理，實現SiCp/2024Al復合材料板材的脈沖電流輔助TLP連接。

1 實驗材料及方法

采用SiCp/2024Al復合材料板材，碳化硅顆粒增強相體積分數為17%。板材加工成規格為25 mm×10 mm×1.6 mm的試樣，進行搭接實驗，搭接寬度2 mm。試樣處理過程為：采用800號和1200號砂紙打磨試樣表面氧化皮 → 乙醇清洗 →超聲振動清洗試樣油污。中間夾層采用Al(43 μm)，Cu(74 μm)和Ti(43 μm)混合粉末，加入黏結劑調成均勻的糊狀，然后平鋪在清洗后試樣的待焊表面上。如圖1所示，脈沖電流通過電極、試樣搭接面和粉末中間夾層形成回路，利用脈沖電流產生的焦耳熱和等離子燒結效應實現鋁基復合材料的TLP冶金化連接。連接過程在真空條件下進行，真空壓強為1×10-3Pa；平均電流密度115 A/mm2，連接預緊壓力為0.5 MPa，連接時間15～60 min；連接過程溫度用紅外測溫儀進行測量監控。保溫結束后，在真空狀態下冷卻至室溫。焊后采用電子萬能拉伸機測試接頭力學性能，采用掃描電鏡分析連接接頭微觀組織。

圖1 脈沖電流輔助粉末夾層TLP連接裝置示意圖Fig.1 Set-up of pulse current auxiliary TLP with powders interlayer

2 結果與分析

2.1 接頭顯微組織及成分分析

圖2和圖3所示為脈沖電流密度為115 A/mm2作用下，連接溫度580 ℃、連接時間分別為45 min和60 min時，獲得的接頭顯微組織形貌。表1展示了圖2(b)和圖3(b)中標記點的元素成份表征。根據連接接頭顯微組織可以看出，接頭形成了良好的冶金連接界面，接頭分為三部分：SiCp/Al復合材料基體、元素擴散層、冶金反應層。在實驗施加脈沖電流作用下，Al-Cu-Ti混合粉末中間層的銅粉與鋁粉及鋁基體發生共晶反應，產生局部液相共晶組織(點B和H)。隨著連接過程的持續，液相中富集的銅元素不斷向基體中擴散，使得焊縫組織逐漸均勻化，實現鋁基復合材料的冶金化連接。同時，鈦元素被鋁銅共晶液相所包圍，在脈沖電流作用下與鋁元素反應原位生成金屬間化合物增強相(點C和F)。通過對比，隨著連接時間的增加，元素擴散層和冶金反應層顯微組織結合面越來越致密、元素分布越來越均勻。同時，對比圖2(a)和圖3(a)線掃描結果，隨著連接時間增加，Cu元素的擴散層增大。

2.2 接頭力學性能及連接機理分析

圖4所示為連接時間對接頭剪切強度的影響。結果顯示，在連接時間為15 min時，接頭的剪切強度僅為42 MPa，主要是由于反應時間較短，原子擴散不充分，擴散層厚度太薄，造成接頭剪切強度較低。隨著連接時間的增加，連接接頭的剪切強度隨著升高。在連接時間為60 min時，其斷裂失效發生在連接接頭的熱影響區，剪切強度達到了154 MPa以上，為鋁基復合材料基體剪切強度的61%。圖5顯示，由于熱影響區有中間層粉末和接頭內部分液相被擠出，在熱影響區局部造成銅元素集中，鋁基體與銅元素局部形成過量的共晶液相，從而產生增強相偏聚及過量的共晶體形成。當剪切力達到一定值時，P-P(顆粒-顆粒)界面處最易生成微裂紋，P-M(顆粒-基體)次之， 而M-M(基體-基體)則結合狀態較強。由于增強相顆粒間的弱連接，使得裂紋主要在該偏聚區產生和擴展。

圖2 580 ℃連接45 min的焊接接頭的微觀組織及成分表征 (a)接頭形貌及線掃描；(b)顯微組織Fig.2 Micro-structure images and EDAX spectrums of joint at 580 ℃ in 45 min (a) topography and EDS line scanning;(b) micro-structure image

圖3 580 ℃連接60 min的焊接接頭的微觀組織及成分表征 (a)接頭形貌及線掃描； (b)顯微組織Fig.3 Micro-structure images and EDAX spectrums of joint at 580 ℃ in 60 min (a) topography and EDS line scanning; (b) micro-structure image表1 圖2(b)和圖3(b)中表征點的元素成分 (質量分數/%)Table 1 Elemental composition of points in Fig.2 (c) and Fig.3 (c) (mass faction/%)

ZoneAlTiCuA0．5298．221．27B50．210．8348．96C61．7035．712．60D96．630．752．62E0．8997．541．56F58．9839．231．79G93．090．945．97H52．850．5846．56

圖4 連接接頭的剪切強度Fig.4 Shear strength of joints

圖5 連接接頭熱影響區斷裂照片及微觀結構Fig.5 Schematic diagram and micro-structure of heat effect zone of joint

圖6 連接接頭的維氏硬度Fig.6 Micro-hardness of joints

圖6所示為連接接頭不同區域的維氏硬度分布示意圖。根據獲得的結果，接頭的維氏硬度排序為：粉末中間夾層區(Zorn 0) > 擴散區(Zorn±Ⅰ) >鋁基復合材料基體(Zorn±Ⅱ和Zorn±Ⅲ)。其中，粉末中間夾層發生冶金反應，原位生成高強度高硬度的金屬間化合物，造成粉末中間夾層區硬度明顯提高。

實驗對接頭斷口冶金反應后的中間夾層成分進行了XRD分析，結果如圖7所示。連接接頭的中間夾層成分主要由Al相、Al2Cu及Al3Ti金屬間化合物等復合生成物組成。原位生成彌散的高強度高硬度金屬間化合物增強相與Al基體間具有較好的潤濕性，能夠有效地提高結構的力學性能。

圖7 連接時間為60 min時連接接頭斷口中間夾層 成份XRD分析Fig.7 XRD pattern of joints bonded for 60 min

圖8所示為脈沖電流在TLP連接過程中的作用機理示意圖，脈沖電流通過電極通過基板和粉末中間層，產生焦耳熱及粉末中間層放電等離子燒結效應，實現了連接接頭的冶金致密化。在脈沖電流作用下，粉末中間層放電等離子燒結[11-14]，原位彌散生成的Al3Ti金屬間化合物與基體的潤濕性較好、熱膨脹率接近，能夠有效提高界面的載荷傳遞能力，從而有效增強連接接頭的力學性能[15]。同時，銅元素在鋁基復合材料基體與中間層界面處產生的熱擴散效應，最終實現接頭的形成。另一方面，脈沖電流通過在軸向壓力和熱效應作用下形成的Al-Ti耦合顆粒時，能夠減少金屬間相的有效激活能[16-18]，并且在電遷移效應下進行固態擴散[19]，從而促進連接接頭的均勻致密化過程。

圖8 脈沖電流在TLP擴散連接中的作用機理示意圖Fig.8 Effect of pulse current on TLP diffusion bonding

3 結 論

(1)脈沖電流輔助粉末夾層瞬間液相擴散連接接頭形成了良好的冶金連接界面，無缺陷產生。連接界面主要包括3部分：SiCP/Al復合材料基體、元素擴散層、冶金反應層。隨著連接時間的增加，元素擴散層和冶金反應層顯微組織結合面越來越致密、元素分布越來越均勻。

(2)在連接時間為15 min時，接頭的剪切強度僅為42 MPa，主要是由于反應時間較短，原子擴散不充分，擴散層厚度太薄，造成接頭剪切強度較低。隨著連接時間的增加，在連接時間為60 min時，其斷裂失效發生在連接接頭的熱影響區，剪切強度達到了154 MPa以上，為鋁基復合材料基體剪切強度的61%。接頭的維氏硬度排序為：粉末中間夾層區>擴散區>鋁基復合材料基體。

(3)對接頭剪切斷面進行了XRD分析，接頭的中間夾層成分主要由Al相、Al2Cu及Al3Ti金屬間化合物等復合生成物組成。原位生成彌散的高強度高硬度金屬間化合物增強相與Al基體間具有較好的潤濕性，能夠有效的提高結構的力學性能。

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(責任編輯：張 崢)

Pulse Current Assisted TLP Bonding of SiCP/Al Composites Sheet Using Powders Interlayer

WANG Bo1, LAI Xiaoming1, YI Zhuoxun1, ZHANG Kaifeng2

(1.Department of Mechanical and Electronics, Beijing Spacecrafts, Beijing 100094, China; 2. School of Materials Science and Engineering ,Harbin Institutes of Technology, Harbin 150001,China)

The powders interlayer was applied for transient liquid phase (TLP) bonding of SiCp/Al composites using pulse current heating. Pulse current got though the joint with powder interlayer and generated the effect of Joule heat and spark plasma sintering to achieve the TLP bonding of SiCp/Al composites sheet. The results show that there is the good TLP bonded joint without defects under the conditions of vacuum:1.39×103Pa; Pulse current density: 115 A/mm2; holding time: 15-60 min; original pressure: 0.5 MPa. The results reveal the dense joint without pores composed of the Al-based solid solution, pure Ti zone, Al2Cu, and Al3Ti intermetallic phase. Furthermore, the thermal and isothermal effects of pulse current oninsitusynthesis of TLP bonded joints of SiCp/Al composites using mixed Al-Cu-Ti powder interlayer are analyzed and discussed. According to microstructure of joint, pulse current promote to in situ form the intermetallic compound, which can provide higher mechanical properties of joint.

TLP bonding；pulse current heating；powders interlayer；Al composites

2016-08-15；

2017-02-13

國家自然科學基金項目(51405487)

王博(1984—)，男，博士，高級工程師，主要從事金屬基復合材料連接技術研究，(E-mail)wangb529@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000142

TB331

A

1005-5053(2017)03-0044-06