4)基体与增强相发生过分界面反应。铝基复合材料熔化焊中,只有Al203p/Al和B4C/Al这两种界面非常稳定,B/Al、C/Al、SiC/Al都会发生界面反应。在SiC/Al MMCs中,Al和SiC间将发生如下反应:
3SiCs +4Als =Al4C3s + 3Sis (1)
反应热力学表明[5],当温度超过727℃(l000K)时,反应(1)的自由能为负值。Al4C3沉淀相和铝基体之间存在外延性晶相关系,Si以块状沉淀析出,Al4C3以薄片状沉淀析出。Al4C3对接头性能的危害有两方面:其一,Al4C3是脆性相,降低接头断裂韧性;其二,焊缝在湿度大的条件下,Al4C3与水反应生成乙炔,进一步降低接头使用性能。此外焊缝中发现含有大量的Al4Si2C5[6]。在不连续增强铝基复合材料(DRA)的氩弧焊接研究中,基体会与增强相发生反应,如SiC增强的DRA,基体会与SiC反应生成脆性的针状Al4C3金属间化合物。而在Al2O3增强的DRA中,Al2O3会发生分解,使焊缝处增强相含量降低,从而降低接头的性能。另外在焊后冷却时,由于增强相易于浮在液体表面,同时增强相与基体润湿性差会造成初生的A相排斥增强相,使得在焊缝凝固时增强相分布不均匀。要解决其焊接问题,必须从工艺和冶金两方面来综合考虑,想方设法减弱上述缺陷产生的可能性。文献[7]中提到了以下解决的方法,分别为:
(1)采用脉冲氩弧焊方法。采用脉冲电弧能对焊接熔池有一定搅拌作用,提高液态金属的流动性,改善基体金属对增强体的润湿性,减少增强相的偏聚。
(2)优化填充材料。采用Al-Mg和Al-Si两种焊丝对SiCp/Al复合材料进行TIG焊,发现用含Si量高的4045铝合金作填充材料可促使熔池流动。Si的加入一方面改善了焊缝金属的流动性及对增强体的润湿性,另一方面增大了熔池金属中Si的活度,减少界面反应的可能性。而Al-Mg合金的焊丝无此作用。同样在文献[8]中也提到了这种方法,焊接时为了克服铝基复合材料在自身熔焊中的高熔池粘度问题,选择了4047A 焊丝填料,因为它有很好的流动性。但是,初步试验表明熔融的4047A(Al/Si)焊丝填料与熔融的MMC不易混合。熔池下面需要一些支撑以防下沉,并且还需要后防护罩。从许多方面看来,尽管在连接过程中MMC被熔,此种连接更近于钎焊而非熔焊。没有看到Al4C3。在熔化焊中还采取了高能束焊。高能束焊能量密度高达l06 W/ cm2,焊接铝基复合材料时建议采用高焊速、高聚焦的束流,保证焊接过程热输入低和加热与冷却迅速,从而防止过热,抑制界面反应。电子束焊要求在真空条件下进行,激光焊则不要求真空。采用同样的焊接能量和焊接速度焊接SiC/ Al MMCS时,电子束焊焊缝中Al4C3含量明显少于激光焊[7]。激光焊研究集中于SiC/ Al MMCS。连续CO2激光焊和脉冲激光焊焊后微观结构相似,但脉冲激光焊可获得较细密的焊缝组织。激光能量输入大小和模式直接影响Al-SiC界面反应程度,且脉冲激光焊的脉冲循环影响SiC 的溶解程度[9]。文献[10]中采用IGM--G150型高压真空电子束焊机,对SiCp/606lAl进行焊接性能研究。得到结论:电子束电流越大,熔深越深;焊接速度越快,熔深越小;焊接过程中SiC颗粒会与液态铝发生界面反应,生成脆相Al4C3;镁元素的气化易导致焊缝气孔的生成。
1.2.2 固相焊接
1)电容储能焊
储能焊是利用储能电容器里储存的电能,在焊接瞬间将能量释放出来的特点来获得极大的焊接电流,接触电阻将电能转换成热能而实现焊接过程。焊接时不需添加填充金属,虽然连接界面在焊接时也发生熔化,但由于电容储能焊具有瞬时放电和快速连接的特点,熔核冷却速度快,达106K/s,减少了熔池在高温停留的时间,熔化区的宽度很窄,从而可以大大降低增强体与基体材料之间界面反应,易获得组织细小、致密的连接接头[11]。