颗粒或短纤维增强铝基复合材料的钎焊技术

铝基合金中加入石墨（Gr）、SiC、Al₂O₃颗粒或短纤维，可以使其弹性模量、高低温强度、疲劳性能、耐磨性能大幅度提高，具有广泛的应用前景。目前这类复合材料主要用于航空、航天和汽车工业，如航天飞机承重压缩杆、汽车发动机活塞、活塞环、缸套、连杆等。

这类材料的钎焊与铝钎焊类似，钎焊前必须预先去除其表面的氧化膜，并保证在整个加热过程中不被重新氧化。同时由于该类材料的任何加工表面均有裸露的增强相存在，常规的铝基钎料通常对其又不润湿，因此为了获得完整而高强的接头，必须对复合材料表面进行改性处理（如镀镍）^[12]。使钎料对其完全润湿，或改进现有的钎料与钎焊工艺。

17.2.3.1 保护气氛炉中钎焊

对于石墨颗粒增强铝基复合材料连接，炉中钎焊是目前最为成功的方法之一，但最初的试验确实遇到许多难题。Goddard.D.M等人曾采用718箔状钎料（BAl88Si），在氩气保护气氛炉中对Gr/纯铝、Gr/Al-7Zn、Gr/Al-13Si三种复合材料进行了钎料润湿性和流动性试验，结果表明，无论用不用钎剂，钎料均不能润湿复合材料基体，而采用同样的钎料和钎焊规范却可以成功地实现Gr/纯铝、Gr/Al-7Zn两种复合材料与6061铝（Al-Mg-Si系铝合金）的钎焊，获得完整而致密的接头，这说明6061铝中的Mg起了重要作用。基于此，又采用718钎料箔与6061铝合金箔组成的复合层板钎料对Gr/Al-Gr/Al接头进行了钎焊，同样取得了满意的结果。对接头组织分析发现：718钎料中的Si已扩散进入6061铝箔中使得复合层板钎料在590℃完全熔化；6061铝中的Mg也扩散到了钎料与复合材料界面处，改善了两者之间的连接，界面线已在多处消失。再提高钎焊温度和增加保温时间，接头改善效果不明显，而且接头中空洞数目有所增加。因此最佳的钎焊规范似乎是一个低的钎焊温度（590℃）和相对比较短的时间（5～10min）^[13]。

上述试验表明，要成功地实现石墨颗粒增强铝基复合材料的钎焊，必须采用含Mg和Si元素的钎料，采用Al-Mg钎料虽然也可以形成接头，但是在钎缝两侧存在严重的连接界面线，有可能是氧化物层。至于采用718与6061铝组成的复合层板钎料以及具有同样成分的单层钎料的相对效果，钎焊过程中Si、Mg是同时起作用还是陆续作用，适合于不同基体复合材料钎焊的钎料中的Si/Mg最佳比率，Goddard.D.M等人也进行了研究，证明，Gr/Al复合材料钎焊，Al-Si-Mg钎料是适合的，但其成分尚需进一步优化^[13]。

保护气氛炉中钎焊也可用于陶瓷颗粒增强铝基复合材料的连接。参考文献[14]对碳化硅颗粒增强铝基复合材料SiCp/3003Al的氩气保护炉中钎焊进行了研究，采用的钎料为BAl86SiCu（HL402）+0.4%Mg+0.1%Bi，具体成分为（质量分数，%）：Al-10Si-4Cu-0.4Mg-0.1Bi，其熔化温度为521～589℃；采用的钎剂为FB201，成分为（质量分数，%）：50KCl-32LiCl-10NaF-8ZnCl₂；在615℃×6min×3kPa规范下钎焊SiCp/3003Al复合材料接头的抗剪强度为35MPa。参考文献[15]中分别采用Zn98Al和Zn72.5Al对SiC_p/Al复合材料进行了氩气保护下的钎焊研究，其中Zn98Al对应接头的抗剪强度达到71MPa，Zn72.5Al对应接头抗剪强度为63.7MPa，两种接头均呈现韧性断裂特征。还有研究人员采用HL401钎料配合QJ201钎剂获得了质量较好的SiC_p/101Al复合材料接头，试验结果表明，随着钎焊温度的升高，接头剪切强度逐渐增加，在575℃时达到最大值；在保持钎焊温度575℃不变的情况下，随着保温时间的延长，接头剪切强度增加，在保温5min时达到最大值90MPa，之后随着保温时间的延长接头强度反而降低^[16]。参考文献[17]研究了氩气保护下炉中钎焊Al₂O₃p/6061Al复合材料的可行性，采用了Al-Cu-Si钎料Al-28Cu-6Si，钎剂仍为FB201，在580℃×10min×16kPa规范下钎焊接头的抗剪强度为96.5～109MPa，其最大值达Al₂O₃p/6061Al母材强度的48%。

17.2.3.2 真空钎焊

氧化铝短纤维增强6061铝自身以及与6061铝的连接可以采用真空钎焊^[10]。钎焊表面预先要经磨削加工后再用800号砂纸抛光处理，入炉钎焊前，所有试样均应在丙酮中超声波清洗。

选用的钎料有两种：一种是厚度为150μm的AA4045（BAl90Si）钎料箔；另一种是160μm厚的复合层板钎料BA03，其芯体材料为AA3003合金（3A20），两侧为AA4045包覆层，单面厚度为5μm。两种钎料的钎焊温度选择在580～610℃之间，即高于AA4045钎料熔化温度，又低于复合材料基体6061铝和AA3003的熔化温度，钎焊保温时间10min，真空度5×10^-3Pa，钎焊夹具采用碳钢制成，接头形式为对接。

图17-2所示为在不同温度下采用两种钎料钎焊的复合材料（以下简称为FRM）与6061铝接头抗拉强度试验结果。从总体上看，BA03钎料钎焊接头强度明显高于AA4045钎料，以590℃钎焊接头为例，FRM/AA4045/6061Al接头抗拉强度为100MPa，而FRM/BA03/6061Al接头抗拉强度约为200MPa。两种接头抗拉强度离散性均比较大，这

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图17-2 FRM/BA03/6061Al和FRM/ AA4045/6061Al两种接头的抗拉强度Fig.17-2 Tensile strength of FRM/BA03/6061Al and FRM/AA4045/6061Al joints

主要是接头中存在较多的空穴缺欠造成的。接头金相观察结果表明：AA4045钎焊接头，钎缝与6061铝的界面消失，结合良好，而与FRM界面呈不规则形状，且有一薄层钎料和一些空穴存在。在界面附近FRM一侧约200μm的范围内，Al₂O₃纤维重新排列，无序分布。这可能是由于钎焊过程中FRM基体伴随着钎料的熔化发生了局部熔化而致。BA03钎焊接头，在BA03/6061Al和BA03/FRM两个界面上均可看到有空穴存在，随钎焊温度提高，空穴尺寸增大，数目增多，BA03/6061Al界面也变得不规则，但BA03/FRM界面即使到600℃仍保持平直，未见界面附近发生纤维重新排列、无序分布现象。表17-3列出了在580℃钎焊的FRM/BA03/6061Al和FRM/BA03/FRM抗拉强度，很显然FRM/BA03/FRM接头强度要比FRM/BA03/6061Al接头高，由此可推知，FRM/BA03界面比BA03/6061界面具有更高的强度。

表17-3 580℃钎焊接头抗拉强度Table 17-3 Tensile strength of joints brazed at 580℃

注：FRM含5%氧化铝纤维。

参考文献[18]采用Al-28Cu-5Si-2Mg实现了SiC_p/LY21复合材料的真空钎焊连接，随着钎焊温度的升高，接头强度逐渐增大，在550℃×4min条件下接头抗剪强度达到最大值32MPa，该接头及时通过焊后固溶时效处理，强度可提高一倍以上。参考文献[19]采用真空钎焊方法分别研究了高体积比SiC_p/6063Al复合材料直接钎焊及先电刷镀铜后再钎焊的连接特性，结果表明，镀铜层可明显改善Al-31.5Cu-6Mg-5Sn箔带钎料对复合材料的润湿性，在580℃×30min的钎焊工艺下，获得的接头最大剪切强度达到145.6MPa，断裂发生在复合材料内部；而不电刷镀铜的母材钎焊后接头存在未焊合缺欠，断裂发生在连接界面，接头强度很低。

陶瓷颗粒增强铝基复合材料的连接可以采用真空感应钎焊，特别是对于铝基体初熔点低的复合材料，采用真空感应加热，可实现钎焊过程的快速加热和冷却，防止母材过烧。SiC_P/2A12（2024Al）复合材料2A12铝合金基体的初熔温度约为505℃，采用真空感应加热方法在高于其初熔点的温度下，可实现SiC_P/2A12复合材料的钎焊，且复合材料母材未出现明显的过烧现象。采用的钎料为Al-28Cu-5Si-2Mg，其熔化温度为525～535℃，在550℃×3～4min规范下钎焊接头的抗剪强度为32～33MPa^[20]。

参考文献[21]采用真空感应加热方法对SiC_P/6061Al复合材料的瞬间液相扩散连接进行了试验研究，以铜作为中间层合金，在复合材料连接面上镀5μm厚的铜膜，中间层总厚度为10μm，扩散连接规范为580℃×120min×2MPa，接头抗剪强度为169MPa，约为复合材料母材强度的82%。

17.2.3.3 火焰钎焊

参考文献[22]采用氧丙烷火焰枪加热，使用Zn-Al钎料对SiC晶须增强铝基复合材料SiC_W/6061Al进行了钎焊试验，Zn-Al钎料的化学成分（质量分数）为：89.3%Zn，4.2%Al，3.22%Cu，0.82%Mg，0.811%Si，0.05%Ni，0.68%其他，其熔化温度为383～399℃。钎焊时先用氧丙烷火焰枪加热被焊试样至400～450℃，使Zn-Al钎料熔化并铺展于试样钎焊面，机械刮擦液态Zn-Al钎料/母材界面，然后冷却；再用火焰枪加热试样被焊表面直至钎料熔化，随即加30MPa压力，冷却后形成钎焊接头。钎焊接头抗拉强度为母材抗拉强度的85%～90%，最高可达272MPa。