激光加工雙級結(jié)構(gòu)對Al/CFRPEEK 接頭組織及性能的影響

徐孟嘉,劉博生,畢曉陽,王振民*

華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州 510641

航空航天裝備要求不斷降低起飛重量、增大航程、提升巡航能力、提高可靠性和延長使用壽命等,這些性能的提升在很大程度上取決于輕質(zhì)化、高性能、低成本材料的開發(fā)和使用。由于碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Carbon-fiber-reinforced thermoplastic,CFRTP)高比強(qiáng)度、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點,越來越廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星等主結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)。以上領(lǐng)域中的一些高端結(jié)構(gòu)主要采用CFRTP與鋁合金的混合組件,這就不可避免地涉及CFRTP 與金屬的異種材料連接問題。由于聚醚醚酮(PEEK)具有耐高溫、高機(jī)械性能、低密度及良好的加工性等優(yōu)勢,在CFRTP的基體材料中有大量應(yīng)用,即碳纖維增強(qiáng)PEEK 復(fù)合材料(Carbon-fiber-reinforced-PEEK,CFRPEEK)。現(xiàn)有的研究工作表明,由于PEEK 材料自然表面的極性基團(tuán)較少,導(dǎo)致CFRPEEK 表面的粘附性能極弱,金屬與CFRPEEK 之間無法產(chǎn)生鍵合作用,為CFRPEEK/金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造造成了極大阻礙。

傳統(tǒng)的CFRTP與鋁合金的連接工藝方法主要為機(jī)械連接和粘接。但是機(jī)械連接易產(chǎn)生應(yīng)力集中和增加重量等問題；粘接存在工藝周期長、污染環(huán)境和降低接頭疲勞性等問題。一些研究人員也在不斷嘗試焊接方法,例如,激光焊被證明有實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料和金屬高效連接的潛力,但其焊接參數(shù)過多而影響接頭質(zhì)量和可靠性；超聲波搭接焊的焊接時間短、接頭強(qiáng)度高,然而通常只能用于焊接長度不超過幾厘米的小部件；攪拌摩擦焊的工藝周期短,沒有環(huán)境污染,操作簡單,機(jī)械性能良好,但材料尺寸和接頭幾何形狀限制了該工藝的應(yīng)用。

在摩擦搭接焊中,攪拌頭在金屬工件上表面高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生熱量,熱量通過熱傳導(dǎo)從金屬部件傳遞到復(fù)合材料部件,并在鄰近界面的狹窄區(qū)域中熔化樹脂,實現(xiàn)金屬和熱塑性復(fù)合材料的連接。連接過程中金屬不熔化,通過復(fù)合材料基體樹脂的熔化和再凝固形成具有較高連接強(qiáng)度的連接界面,不會對母材造成損害,是一種節(jié)能環(huán)保的異種材料連接工藝。Nakata等提出利用摩擦搭接焊進(jìn)行熱塑性樹脂尼龍6和鋁合金的連接。將摩擦搭接焊用于乙烯-丙烯酸共聚物EAA 和鋁合金的連接,提出鋁合金表面氧化物與EAA 表面羧基(—COOH)之間的氫鍵作用是其連接的主要機(jī)理。Wu 等成功將摩擦搭接焊用于銅和碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料的連接,該研究表明,在CFRTP表面的酰胺基和銅表面的氧化銅之間形成氫鍵起著主要連接作用,接頭強(qiáng)度主要受有效連接面積和基體材料熱分解程度的影響,與焊接速度相關(guān)；Wu等進(jìn)一步提出了攪拌頭位置偏移減少CFRTP/銅接頭氣泡和提高連接強(qiáng)度的方法。

以往的研究工作大多集中在極性熱塑性基體的CFRTP與金屬的連接上,而非極性熱塑性基體的CFRTP與金屬的連接,如CFRPEEK 與鋁合金的摩擦搭接焊連接則鮮有報道。提高PEEK熔體對金屬表面的潤濕鋪展性是促進(jìn)熱塑性復(fù)合材料/金屬連接的途徑之一。通常認(rèn)為,通過金屬表面處理,控制金屬表面粗糙度和表面能,有助于提高PEEK 熔體對金屬表面的潤濕鋪展性,特別是產(chǎn)生超疏水表面,這有助于提高CFRPEEK/金屬連接結(jié)構(gòu)的結(jié)合強(qiáng)度和界面性能。然而,只對金屬表面進(jìn)行砂紙打磨處理,無法實現(xiàn)PEEK 和金屬的有效連接。大量研究結(jié)果已經(jīng)表明,可以嘗試通過兩種途徑更有效和精確地控制金屬表面的表面能,包括：利用激光技術(shù)在金屬表面上制備幾何紋路改變粗糙度；或在粗糙表面上通過化學(xué)改性控制表面能。Xie 等采用NaOH,HCl和NH等溶液對鋁合金表面進(jìn)行逐步浸泡腐蝕處理,在鋁合金表面形成了無數(shù)納米孔,在PEEK 和金屬之間的界面形成無數(shù)的納米鉚釘,獲得較高強(qiáng)度的PEEK/鋁合金接頭。Henriques等的研究結(jié)果表明,采用脈沖激光在鈦合金表面制備微孔陣列,可以得到較高強(qiáng)度的PEEK/鈦合金接頭,相對常規(guī)的氧化鋁噴砂處理,接頭強(qiáng)度提高了300%以上。

金屬和CFRTP的粘附性能對基體樹脂的極性和金屬表面的粗糙度和潤濕性很敏感。由于PEEK 基體的非極性,有必要對鋁合金表面的結(jié)構(gòu)和潤濕性進(jìn)行修飾,以提高CFRPEEK 和鋁合金接頭強(qiáng)度。采用激光加工的方法對6061-T6鋁合金進(jìn)行表面處理,在6061-T6表面加工微孔陣列和納米顆粒組成的雙級結(jié)構(gòu),改變鋁合金表面的潤濕性。基于此,采用摩擦搭接焊的方法連接CFRPEEK 和激光表面改性后的6061-T6材料。研究目的是探討制備高強(qiáng)度的非極性熱塑性基體的CFRPEEK 和鋁合金的摩擦搭接焊接頭的可行性。

1 試驗材料及方法

試驗采用30%短碳纖維含量的CFRPEEK板和6061-T6鋁合金板。CFRPEEK 板的尺寸為150 mm×100 mm×2.5 mm。6061-T6鋁合金板的尺寸為150 mm×100 mm×2 mm。CFRPEEK和6061-T6 的主要力學(xué)性能和熱性能如表1 所示。PEEK 基體的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PEEK 基體的分子結(jié)構(gòu)[21]Fig.1 Molecular structure of PEEK matrix[21]

表1 CFRPEEK 和6061-T6的力學(xué)性能和熱性能[19-20]Table 1 Mechanical and thermal properties of CFRPEEK and 6061-T6[19-20]

將6061-T6板表面用400號至2400號砂紙拋光。其中一個拋光樣品標(biāo)記為T1。采用Nd：YAG激光器在大氣環(huán)境中對其他拋光的6061-T6樣品進(jìn)行表面處理,在6061-T6板表面加工間距分別為200μm 和250μm(試樣標(biāo)記為T2和T3)的周期性微孔陣列,激光加工區(qū)寬度為10 mm,如圖2中步驟(i)所示。使用的激光器功率為10 W,波長為1 064 nm,脈沖持續(xù)時間100 ns,頻率30 k Hz,最大脈沖能量0.5 mJ。激光加工后,將樣品先后在酒精和去離子水中超聲清洗15 min。

圖2 激光輔助CFRPEEK/6061-T6連接工藝示意圖Schematic illustration of laser assisted CFRPEEK/6061-T6 joining

采用攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行CFRPEEK 和6061-T6的摩擦搭接焊試驗,如圖2 中步驟(ii)所示。進(jìn)行摩擦搭接焊試驗的6061-T6板包括拋光表面和激光加工表面。6061-T6板放置于CFRPEEK板的頂部,搭接寬度為25 mm。采用直徑為13 mm的H13鋼無針攪拌頭。攪拌頭下壓深度為恒定的0.75 mm,攪拌頭轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,焊接速度為200 mm/min。焊接過程中,將K 型熱電偶插入6061-T6板與CFRPEEK 板之間的界面,在連接區(qū)域的中心測量焊接過程的熱循環(huán)曲線。

采用萬能試驗機(jī)(AGS-10KNI,島津,負(fù)載能力10 k N)在10 mm/s的拉伸速度下測試6061-T6/CFRPEEK 接頭拉伸剪切強(qiáng)度。拉伸剪切試樣的取樣位置和尺寸如圖3(a)所示。為了獲得搭接接頭的剪切強(qiáng)度,采用如圖3(b)所示的夾具進(jìn)行拉伸剪切試驗。每個樣品取5個試樣進(jìn)行試驗。拉伸剪切試驗后,采用掃描電子顯微鏡(S-3700 N,日立)對斷口進(jìn)行觀察和分析。采用掃描電鏡(Merlin,CarlZeiss)對6061-T6/CFRPEEK 接 頭的橫截面和激光加工的6061-T6表面進(jìn)行了觀察和分析。采用三維輪廓儀(UP series,Rtec)對激光加工的6061-T6表面進(jìn)行三維表面形貌分析。采用接觸角測量儀(OCA40 Micro,Dataphysics)測量6061-T 6表面和CFRPEEK表面的水接觸角和油(二碘甲烷)接觸角。每個樣品表面至少測量五個不同的位置,計算接觸角的平均值。

圖3 拉伸剪切試驗示意Fig.3 Illustration of tensile shear test

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 CFRPEEK/6061-T6接頭性能

對激光加工的6061-T6 板和CFRPEEK 板進(jìn)行摩擦焊搭接焊連接,6061-T6/CFRPEEK 接頭連接良好；拋光的6061-T6板和CFRPEEK 板在焊接完成后會立即分離。拉伸剪切試驗后,試樣T2和T3如圖4(a)和4(b)所示,在6061-T6和CFRPEEK的連接界面發(fā)生斷裂。將拉伸剪切力除以150 mm的連接面積,計算得到試樣的拉伸剪切強(qiáng)度。圖4(c)為不同激光加工的6061-T6表面和CFRPEEK接頭的拉伸剪切強(qiáng)度。試樣T3接頭強(qiáng)度達(dá)到21.67 MPa,高于試樣T2的接頭強(qiáng)度。

圖4 CFRPEEK/6061-T6拉伸剪切試驗Fig.4 CFRPEEK/6061-T6 tensile shear test

2.2 激光加工6061-T6表面結(jié)構(gòu)

金屬和非極性熱塑性樹脂復(fù)合材料的連接強(qiáng)度和粘附力主要受金屬的表面結(jié)構(gòu)和表面潤濕性的影響。圖5為激光加工的6061-T6表面的掃描電鏡照片和表面接觸角(CA)。在微觀尺度上,激光加工在6061-T6 表面形成了周期性的微孔陣列,微孔直徑約200 μm,微孔深度約400～500μm。在納米尺度上,微孔壁上出現(xiàn)了密集分布的納米顆粒,同時顯示出了納米孔的特征,納米顆粒直徑為100～200 nm。納米顆粒的形成來源于激光加工過程中熔化的鋁合金飛濺,凝固后粘附于6061-T6 表面。從圖5(b)可以看出,試樣T3的微孔具有完整的邊緣,表現(xiàn)為尖銳和高聳的孔壁。與試樣T3相比,試樣T2的微孔邊緣和微孔形狀不完整,如圖5(a)所示,這是由于相鄰激光能量重疊導(dǎo)致孔邊緣被削平,孔壁高度降低。

圖6(a)和6(b)為激光加工的6061-T6表面的三維形貌圖。圖6(c)為2個試樣的微孔邊緣高度(用A-A 線標(biāo)記)的分布對比曲線,可以看出,試樣T3邊緣高度(約0.40～0.48 mm)較高,正如在掃描電鏡中觀察到的,它有尖銳和高聳的孔壁結(jié)構(gòu)。相反,由于相鄰激光在重疊區(qū)域能量疊加,試樣T2 具有較低的邊緣高度(約0.27～0.40 mm),表面起伏程度降低。圖6(d)為微孔中心線(B-B)的高度分布對比曲線,可以看出,由于試樣T3有完整的孔邊緣,試樣T3的微孔深度大于試樣T2。

圖6 激光加工的6061-T6表面三維形貌圖Fig.6 3D topographic images of laser textured 6061-T6 surfaces

為了評價激光加工的不同雙級結(jié)構(gòu)對CFRPEEK 在A6061鋁合金表面潤濕性的影響,測量了T2、T3試樣表面的水接觸角和油接觸角。從圖5(b)可以看出,試樣T3表面的水接觸角達(dá)到159°,油接觸角為8°,表明試樣T3達(dá)到超疏水表面。在6061-T6的超疏水表面上,熔化的PEEK的潤濕鋪展性將得到改善,從而增加CFRPEEK與6061-T6之間的連接面積。激光加工的6061-T6表面的微孔和納米顆粒構(gòu)成的雙級結(jié)構(gòu)是改善表面潤濕性的原因。CFRPEEK 表面的水和油接觸角分別為58.4°和18.3°。

圖5 激光加工的6061-T6表面掃描電鏡圖和接觸角Fig.5 SEM images and contact angle of 6061-T6 surfaces produced by laser texturing

利用CFRPEEK 與6061-T6的表面接觸角,可以通過Dupre方程,計算CFRPEEK 和不同表面的6061-T6的粘附功：

式中：和分別為兩種材料的表面自由能；為它們之間的界面自由能。根據(jù)Fowkes方法,表面能具有色散和極性部分,從而導(dǎo)致2個連接材料之間的界面能的關(guān)系為

表2 試驗液體的表面張力參數(shù)[22]Table 2 Surface tension parameters for various test liquids[22]

圖7 為具有不同表面的6061-T6 和CFRPEEK的粘附功。表面拋光的60 61-T 6和CFRPEEK 的遠(yuǎn)低于激光加工的6061-T6和CFRPEEK 的。因此,無法通過摩擦搭接焊將CFRPEEK 和拋光的6061-T6直接連接。由于試樣T3表面超疏水性的特性,試樣T3 的值最高。

圖7 不同表面的6061-T6和CFRPEEK 的粘附功Fig.7 W ad between CFRPEEK and 6061-T6 plates with different surfaces

2.3 CFRPEEK/6061-T6接頭的界面組織和斷口

圖8 為CFRPEEK/6061-T6 接頭的界面組織。從圖8(b)可以發(fā)現(xiàn),在試樣T3中,基體材料PEEK 完全填充于6061-T6 表面的微孔中,在CFRPEEK/6061-T6連接界面處出現(xiàn)沒有孔洞。碳纖維主要分布在微孔附近,在微孔中形成無碳纖維區(qū)域。這種現(xiàn)象表明基體材料PEEK 錨固于6061-T6的微孔中,實現(xiàn)CFRPEEK 和6061-T6的微觀機(jī)械咬合。其形成微鉚釘結(jié)構(gòu)是CFRPEEK和6061-T6的主要連接機(jī)制。從圖8(a)可以發(fā)現(xiàn),在CFRPEEK/6061-T6連接界面中,CFRPEEK 側(cè)的區(qū)域存在孔洞,孔洞主要位于微孔的頂部位置,且該處為無碳纖維區(qū)域。由于CFRPEEK/6061-T6連接界面存在孔洞,導(dǎo)致界面連接面積減小,并引起應(yīng)力集中,從而降低連接強(qiáng)度。根據(jù)熱電偶測得的焊接過程的溫度循環(huán),焊接過程中接頭的最高溫度約為410℃,介于PEEK的熔化溫度和熱分解溫度之間。因此,連接界面處的孔洞不是由基體材料PEEK的熱分解導(dǎo)致的。PEEK 熔體在試樣T2表面上較低的潤濕鋪展性是產(chǎn)生孔洞的主要原因。當(dāng)6061-T6表面達(dá)到超疏水狀態(tài)時,PEEK 熔體將易于在6061-T6表面上潤濕和鋪展,并填充微孔和納米空隙,最終形成無缺陷的界面。值得一提的是,在碳纖維周圍觀察到一些微小的空隙,可以推斷出它們是在碳纖維復(fù)合材料成型過程中由于空氣注入而形成的。從圖9可以發(fā)現(xiàn),試樣T2的斷口有一些殘留的PEEK錨固在微孔中,并且碳纖維以不同方向分布在微孔外部,這同樣表明了微觀尺度的機(jī)械咬合是CFRPEEK 和6061-T6鋁合金的主要連接機(jī)制。

圖8 CFRPEEK/6061-T6接頭界面掃描電鏡圖Fig.8 SEM images of CFRPEEK/6061-T6 joint interfaces

圖9 試樣T2拉伸剪切試驗斷口掃描電鏡圖Fig.9 SEM images of fracture surface for sample T2 after tensile shear test

熱塑性樹脂基復(fù)合材料和金屬的連接機(jī)制包括氫鍵、機(jī)械咬合和化學(xué)鍵。在本文中,摩擦搭接焊無法實現(xiàn)CFRPEEK 和拋光的6061-T6的有效連接,因此,樹脂基體的極性官能團(tuán)與金屬表面氧化物之間形成氫鍵不是CFRPEEK 和6061-T6的摩擦搭接焊的主要連接機(jī)制。激光加工在6061-T6表面形成的周期性微孔陣列和納米顆粒引起的PEEK 基體和鋁合金表面的微觀機(jī)械咬合是CFRPEEK 與激光加工6061-T6 的摩擦搭接焊接頭形成的主要連接機(jī)制。圖10是對本文試驗結(jié)果和連接機(jī)理分析的示意圖,該圖解釋了連接界面形成與6061-T6表面結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,6061-T6的表面結(jié)構(gòu)影響了連接界面的機(jī)械咬合程度和接頭質(zhì)量。激光加工在6061-T6表面上產(chǎn)生了微孔陣列和納米顆粒組成的微米-納米雙級結(jié)構(gòu),形成了超疏水和疏水的表面。在6061-T6超疏水表面上,PEEK 熔體表現(xiàn)出優(yōu)異的潤濕性和鋪展性。因此,在摩擦搭接焊過程中,超疏水表面被熔化的PEEK潤濕、鋪展并立即填充微孔。PEEK 凝固后,在CFRPEEK/6061-T6界面處形成天然的微錨固結(jié)構(gòu)。然而,PEEK 熔體對6061-T6疏水表面的潤濕性較低,PEEK 和6061-T6疏水表面的粘附性較弱,熔化的PEEK未能在6061-T6疏水表面完全潤濕和鋪展,無法完全滲透到6061-T6表面的微孔和納米空隙中,PEEK 凝固后,在CFRPEEK/6061-T6連接界面附近留下未填充的區(qū)域。最后,在CFRPEEK 和具有超疏水表面的6061-T6形成了沒有孔洞缺陷的連接界面,接頭強(qiáng)度較高。但是,在CFRPEEK和具有疏水表面的6061-T6的連接界面上存在孔洞,接頭強(qiáng)度較低。

圖10 激光加工的6061-T6接頭表面和連接界面關(guān)系示意圖Fig.10 Illustration of relation between joining surface and interfaces 6061-T6 surface

3 結(jié) 論

1)與未經(jīng)激光預(yù)處理的表面相比,通過激光表面紋理化加工,CFRPEEK/6061-T6摩擦搭接焊接頭的連接強(qiáng)度得到了顯著提高。6061-T6表面的周期性微孔陣列和納米顆粒引起的基體材料PEEK 和鋁合金的微觀機(jī)械咬合是CFRPEEK/6061-T6 接頭的主要連接機(jī)理和高強(qiáng)度的主要原因。

2)激光加工在6061-T6表面形成了微孔陣列和納米顆粒構(gòu)成的微米-納米雙級結(jié)構(gòu),改變了6061-T6表面的潤濕性,形成了包括超疏水表面和疏水表面。與具有疏水表面的6061-T6相比,具有超疏水表面的6061-T6 與CFRPEEK 的粘附性較高。

3)在具有超疏水表面的6061-T6 和CFRPEEK 的接頭連接界面中沒有存在孔洞。在焊接過程中,6061-T6表面的微孔和納米孔隙被熔化的PEEK 填充,形成了無碳纖維連接區(qū)域。