摘要 本文以亞微米級Al2O3p/6061Al鋁基復合材料為對象，研究了直接擴散焊與采用中間層擴散焊兩種工藝焊接鋁基復合材料的特點(diǎn)、機理，分析了中間層對接頭強度的影響規律。結果表明，在鋁基復合材料液、固溫度區間，存在“臨界溫度區域”，在此溫度區域進(jìn)行直接擴散焊接時(shí)，通過(guò)液相基體金屬的浸潤，使得在擴散接合面中增強相—增強相接觸轉化為增強相—基體—增強相的有機結合，獲得高質(zhì)量焊接接頭；進(jìn)一步研究發(fā)現，在擴散接合面上采用合適的基體中間層同樣可以將增強相—增強相接觸轉化為增強相—基體—增強相的有機結合，同時(shí)增大“臨界溫度區域”范圍，接頭性能更加穩定，接頭變形量進(jìn)一步減?。?2%）。 
關(guān)鍵詞 鋁基復合材料、直接擴散焊、中間層擴散焊 

一 序言 

鋁基復合材料作為一種新興材料，由于其具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗輻射、尺寸穩定性好等優(yōu)異的綜合性能而受到人們的廣泛關(guān)注并將逐步取代部分傳統的金屬材料而廣泛應用于航空、航天、汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域，成為當今金屬基復合材料發(fā)展與研究的主流。然而鋁基復合材料的焊接性差，很難形成高強度的焊接接頭，成為該種材料走向實(shí)用化的嚴重障礙。 

本文以亞微米級Al2O3p/6061Al鋁基復合材料為對象，通過(guò)系列試驗研究了采用直接擴散焊與基體鋁合金作為中間層的擴散焊兩種工藝焊接鋁基復合材料的特點(diǎn)、機理，分析了中間層對接頭性能的影響，探索實(shí)現鋁基復合材料優(yōu)質(zhì)連接的有效工藝。 

二 試驗材料及方法 

2.1 試驗材料 

采用擠壓鑄造法制備亞微米級Al2O3p/6061Al鋁基復合材料。增強相Al2O3顆粒平均尺寸為0.4μm，體積比為30%。該復合材料在掃描電鏡下的顯微組織見(jiàn)圖1，在退火狀態(tài)下拉伸強度為300MPa?；w6061Al的化學(xué)成分如表1所示。選取與基體相同成份的6061Al鋁箔作為中間層，其厚度介于5-30μm之間。 


 
圖1 Al2O3p/6061Al鋁基復合材料顯微組織

表1 6061Al的化學(xué)成分（Wt%） 


2.2 試驗方法 

將材料加工5mm×10mm×30mm的尺寸進(jìn)行對接平焊，擴散焊過(guò)程是在10-3Torr的真空室中進(jìn)行，試件采用電阻法加熱，通過(guò)熱電偶測量溫度并使其在焊接中保持恒定，焊接過(guò)程見(jiàn)圖2。焊后利用css-2205型電子萬(wàn)能實(shí)驗機（拉伸強度取3個(gè)試樣的平均值）測試焊接接頭的力學(xué)性能。采用掃描電子顯微鏡JSM—5600LV分析接頭微觀(guān)組織及斷口形貌。 
　　

圖2 Al2O3p/6061Al鋁基復合材料擴散焊接工藝流程圖

接頭變形率按下式計算： 

ΔS%=（S-S0）/S0 

其中：S0-焊前接頭截面積 S-焊后接頭截面積 

三. 試驗結果及其討論 

分別采用直接擴散焊與中間層擴散焊兩種工藝焊接Al2O3p/6061Al鋁基復合材料。試驗結果如圖3所示，可以看到，直接擴散焊與采用6061鋁合金箔中間層擴散焊兩種工藝條件下均可以獲得較高的接頭強度，但直接擴散接頭變形量較大，介于6-12%之間，而6061鋁合金箔做中間層時(shí)接頭變形量小于〈2%?？梢?jiàn)采用與鋁基復合材料基體金屬相同的6061Al合金做中間層時(shí)可以獲得更高質(zhì)量的接頭。從圖中還可以發(fā)現，在試驗范圍內，直接擴散焊時(shí)接頭強度隨焊接規范的提高而提高，特別是當溫度超過(guò)基體材料的固相線(xiàn)溫度（855K）時(shí)，接頭強度有顯著(zhù)提高，焊接規范參數具有明顯的門(mén)檻值，較高接頭強度往往伴隨著(zhù)較大的接頭變形量（*可達12%），同時(shí)從圖3中可以發(fā)現直接擴散焊接時(shí)鋁基復合材料焊接接頭性能波動(dòng)較大。與直接擴散焊相比，在同一焊接規范下加入6061Al合金中間層擴散焊時(shí)接頭性能穩定性、波動(dòng)較小。 
　　

圖3 直接擴散焊、夾層擴散焊接頭強度與焊接溫度關(guān)系曲線(xiàn)

這是由于鋁基復合材料對接時(shí)，在接觸面上存在以下界面結合形式：增強相-增強相（R-R）； 增強相-鋁合金基體（R-M）；鋁合金基體-鋁合金基體（M-M）。由于基體與增強相的熔點(diǎn)相差很大，在試驗焊接規范下，（R-R）的結合幾乎沒(méi)有強度[1、4]，該部位不僅僅減少了載荷的傳遞能力，而且還為裂紋的萌生和擴展提供了場(chǎng)地。因此避免（R-R）接觸是提高擴散焊接頭強度的關(guān)鍵，也是鋁基復合材料擴散焊接工藝研究的中心環(huán)節。 

直接擴散焊時(shí)，當焊接溫度超過(guò)基體合金固相線(xiàn)溫度時(shí)，基體原子的活性和遷移率增加，并且在材料接觸面上出現基體合金液態(tài)薄膜，此液膜浸潤材料連接表面，基體原子通過(guò)這個(gè)液膜加速相互擴散，此時(shí)鋁合金基體塑性流動(dòng)性良好，借助基體的塑性流動(dòng)使得接頭區域增強相顆粒重新分布，導致了鋁合金基體滲入增強相之間的結合處，促使了界面上的增強體—增強體(R—R)接觸改為增強體—基體(R—M)接觸,由于(R—R)接觸幾乎無(wú)結合而(R—M)接觸結合強度遠遠大于(R—R)接觸,因此可以使接頭強度大大提高?？梢?jiàn)復合材料間直接擴散焊要得到高強度的接頭，一方面需要對焊接參數控制得非常嚴格，另一方面不可避免地接頭要產(chǎn)生較大的變形。這對焊后尺寸要求嚴格的情況是不合適的。 

而對于鋁合金中間層擴散焊來(lái)講，并不是通過(guò)基體材料的塑性變形使增強相重新分布來(lái)避免（R-R）接觸，而是由于鋁合金中間夾層的加入，將接合面上的（R-R）接觸轉化為（M-M）、（R-M）接觸，提高了接頭的強度，故其焊接過(guò)程并不需要太大的焊接規范（壓力、溫度）就可以實(shí)現。 

另外，為比較兩種焊接工藝的區別，又進(jìn)一步測試了直接擴散焊與6061Al鋁合金中間層擴散焊*焊接規范區域如圖4所示，可見(jiàn)由于加入了Al合金中間層使得該復合材料接頭*焊接規范區域明顯增大，接頭變形顯著(zhù)減小。 
　　

圖4 兩種焊接工藝*焊接規范示意圖


圖5為在圖3所示試驗工藝中當焊接溫度Tw為853k時(shí)直接擴散焊、中間層擴散焊的斷口形貌照片,直接擴散焊斷口呈現出A、B兩區圖6（a），斷口分析表明：A區斷口呈韌窩狀，斷口呈明顯的韌性斷裂特征，為焊合區，B區為脆性斷口，斷口表面上覆蓋一層氧化膜，為焊接不良區，A區面積大小決定著(zhù)接頭強度的高低。與直接擴散焊接頭斷口相比，Al合金中間層擴散焊接頭整個(gè)斷口均呈韌性斷裂圖6（b），對其表面進(jìn)行能譜分析，證實(shí)斷口表面均覆蓋一層鋁合金，表明了中間層與增強相較好的結合，接頭斷裂是發(fā)生在中間層Al合金中。 
 
（a）—無(wú)中間層 （b）—Al合金中間層 
圖5 采用直接擴散焊、中間層擴散焊焊接鋁基復合材料的斷口形貌照片

下面進(jìn)一步研究鋁合金夾層厚度對接頭強度的影響規律。圖6為鋁合金厚度與接頭強度的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢?jiàn)中間層的厚度對接頭的強度有很大的影響，當中間層厚度超過(guò)10μm時(shí)，接頭強度開(kāi)始明顯下降。這是由于中間層過(guò)厚使得接頭出現無(wú)增強相區域，導致接頭強度下降，斷裂首先從該區域發(fā)生，圖7為該工藝條件下不同鋁合金中間層厚度的接頭組織SEM照片。在6061Al合金中間層為5μm時(shí)，焊接接頭中觀(guān)察不到明顯的無(wú)增強相區域存在；而中間層為50μm時(shí)，焊接接頭中觀(guān)察到明顯的無(wú)增強相區域（中間層區域），該區域存在將降低焊接接頭性能。 
　　

圖6 鋁合金中間層厚度對接頭強度的影響

 
（a）—5μm （b）—50μm 



圖7 鋁合金中間層焊接區SEM組織照片

3 結論 

通過(guò)對采用直接擴散焊與基體鋁合金作為中間層的擴散焊焊接鋁基復合材料的工藝研究，可得出以下結論： 

1.采用直接擴散焊時(shí)，接頭強度的提高是通過(guò)基體合金塑性流動(dòng)，改善增強相分布，避免了(R—R)接觸而實(shí)現的。為了獲得高強度接頭，一方面需要對焊接參數控制得非常嚴格，另一方面不可避免地使接頭產(chǎn)生較大的變形。在本試驗條件下，直接擴散焊接頭強度可達203MPa，接頭變形量為6-12%。 

2.采用鋁合金夾層擴散焊時(shí)，通過(guò)鋁合金中間夾層的加入，將接合面上的（R-R）接觸轉化為（M-M）、（R-M）接觸，提高了接頭的強度。夾層的厚度超過(guò)一定的數值時(shí)，將使接頭接合界面出現無(wú)增強相區，引起接頭強度的下降。在本試驗條件下，鋁合金夾層擴散焊接頭強度可達200MPa，接頭變形量〈2%。 

3.采用直接擴散焊的工藝時(shí)，需要對焊接參數控制得非常嚴格，與之相比，采用鋁合金中間層擴散焊時(shí)*焊接參數變化區域大大增加。