纖維增強金屬基復合材料的焊接性

牛比的波波

連續(xù)纖維增強金屬基復合材料由基體金屬及增強纖維組成，這類材料的焊接不但涉及金屬基體之間的焊接，還要涉及金屬與非金屬增強相之間的焊接以及增強相之間的焊接?；w通常是一些塑性、韌性好的金屬，其焊接性一般都較好；而增強相是高強度、高彈性模量、高熔點、低密度和低線膨脹系數(shù)的非金屬，其焊接性都很差。因此，纖維增強金屬基復合材料的焊接性通常也較差，除了基體材料的焊接性問題外，焊接這類復合材料時還會遇到一些特殊問題。

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回復：纖維增強金屬基復合材料的焊接性
（1）界面反應
在較高的溫度下，金屬基復合材料中的基體與增強纖維之間通常是熱力學不穩(wěn)定的，兩者的接觸界面上易發(fā)生化學反應，生成對材料性能不利的脆性相，這種反應通常稱為界面反應。
① Cf/Al復合材料
碳在固態(tài)和液態(tài)鋁中的溶解度都不大，固溶度為0.015％；而在800、1000、1100和1200時的溶解度分別為0.1％、0.14％、016％和0.32％?！妗妗妗?br /> 目前尚無C-Al系相圖。在室溫到1670的溫度范圍內(nèi)，Al與C反應生成Al4C3的標準生成自由能都為負值。因此，鋁與碳在熱力學上是不相容的，它們在低溫下已開始反應，只是速度非常緩慢，隨著溫度的上升，反應越來越劇烈，生成的Al4C3量也越來越多。兩都明顯發(fā)生作用的溫度根據(jù)基體成分和碳纖維結(jié)構(gòu)的不同而不同，約在400～500℃之間。焊接溫度在該范圍之上的焊接方法均會引起明顯的界面反應?！?br /> Al4C3為脆性針狀組織，可使基體與增強纖維之間的界面強度劇烈下降。而且Al4C3能與水反應放出CH4氣體，易使接頭發(fā)生低應力破壞。Al4C3的成分實際上是在一定范圍內(nèi)變化的，是C在Al中的固溶體。
② Bf/Al復合材料
硼在鋁中的溶解度很小，最大固溶度為0.025％，730和1300時在液態(tài)鋁中的溶解度分別為0.09％和2.0％。熔化焊焊接過程中，B纖維與Al發(fā)生反應，生在AlB2或AlB10反應層，使界面強度下降。如果基體為1100Al（相當于國內(nèi)牌號L4），則最終產(chǎn)物是AlB2；如果基體是6060Al（相當于國內(nèi)牌號LD2），則最終產(chǎn)物是AlB12?！妗?br /> ③ SiCf/Al復合材料
SiCf/Al復合材料在固態(tài)下雖不發(fā)生反應，但在基體Al熔化后可發(fā)生下列反應，生成Al4C3，即
4Al＋3SiC══Al4C3＋3Si

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④ Al2O3f/Al復合材料
在1000以下鋁對氧化鋁的潤濕性差。盡管Al一般不與Al2O3反應，但鋁合金中的Mg卻極易與Al2O3發(fā)生反應。向Al中添加合金元素鋰（＜3％），既可抑制反應，又可改善鋁對氧化鋁的潤濕性?！?br /> ⑤ 鋼絲增強鋁基復合材料
鋁和鐵的相互固溶度都很小，400～460℃時鐵在鋁中不固溶，500、600、655時鐵在鋁中的固溶度分別為0.006％、0.025％、0.052％?！妗妗?br /> 在熔化狀態(tài)下，F(xiàn)e與Al可生成若干金屬間化合物，其中大多數(shù)在室溫下穩(wěn)定。因此，在焊接鋼絲增強的復合材料時，這些化合物都有生成的可能性。鋼絲中加合金元素C、Cr、Cu、Ni、Mo、Si等都有抑制反應的趨勢，其中Si最有效。
⑥ SiCf/Ti復合材料
熔化焊過程中，Ti與SiC可發(fā)生化學反應，生成TiC、Ti5Si3、TiSi2及更復雜的化合物。這些化合物對接頭的性能均是不利的。
因此，在上述復合材料的焊接過程中，防止或減輕界面反應是保證焊接質(zhì)量的最關(guān)鍵問題之一。該問題可通過冶金或/和工藝兩個方面來解決。
① 冶金方式
通過加入一些活性比基體金屬更強的元素或能防止界面反應的元素來防止界面反應。例如在焊接SiCf/Al時，可在熔池中加入Ti，Ti可以取代Al與SiC反應，不僅避免了有害化合物Al4C3的產(chǎn)生，而且生成的TiC還能起強化相的作用。此外，提高基體Al中的含Si量或利用含Si量高的焊絲可抑制Al與SiC間的界面反應。
② 工藝方式
通過控制加熱溫度和時間來避免或限制反應的進行。例如，采用固態(tài)焊工藝或低熱輸入熔焊工藝可限制SiCf/Al復合材料的界面反應。