脉冲电流辅助粉末夹层TLP连接SiCp/Al接头微观组织和力学性能

王 博, 赖小明, 易卓勋, 张凯锋

(1.北京卫星制造厂 机电产品事业部, 北京 100094； 2.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001)

脉冲电流辅助粉末夹层TLP连接SiCp/Al接头微观组织和力学性能

王 博1, 赖小明1, 易卓勋1, 张凯锋2

(1.北京卫星制造厂 机电产品事业部, 北京 100094； 2.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001)

研究脉冲电流辅助瞬间液相(Transient Liquid Phase, TLP)扩散连接技术，采用粉末中间层，利用低压高强脉冲电流通过铝基复合材料搭接面与中间层，从而实现对SiCp/2024Al复合材料板材的TLP扩散连接。分析不同工艺参数下连接试样的微观组织和力学性能，探索脉冲电流对铝基复合材料连接的影响机理。结果表明：采用真空压强为1×10-3Pa，平均电流密度115 A/mm2，连接预紧压力为0.5 MPa，连接时间60 min条件下，连接接头形成了良好的冶金连接界面，无缺陷产生；通过对连接接头微观组织观察发现，在脉冲电流作用下，接头原位生成弥散的高强度高硬度金属间化合物增强相，有效地提高了接头的力学性能。

瞬间液相扩散连接；脉冲电流；粉末中间夹层；铝基复合材料

随着航空航天科学技术的应用与发展，降低航天飞行器结构的质量、提高航天飞行器有效载荷能力的要求越来越迫切。铝基复合材料具有高比强度、比刚度以及耐磨、耐腐蚀和良好的高温性能，兼有结构材料和功能材料的特点，将在航空航天、电子和汽车工业等领域得到广泛的应用[1-3]。然而，由于铝基复合材料复杂的宏观和微观结构，使得复合材料的连接要比均质材料困难得多，例如，它的表面存在一层稳固氧化膜、基体合金与增强相之间的物理和化学性质相差较大等问题造成焊接性能较差，采用常规的焊接方法时，在焊缝极易出现气孔、偏聚和界面反应等缺陷，难以获得优质焊接接头[4-6]。因此，要使铝基复合材料广泛地应用于各个方面，必须成功解决碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接。

瞬间液相 (Transient Liquid Phase, TLP) 扩散连接技术满足了这些难连接金属基复合材料的连接需要，不仅能够有效地破坏铝基体表面的氧化膜[7-8]，而且能够在比钎焊低的温度下进行连接，无须施加压力或只需施加很小的压力，获得的接头组织和性能较好[9-10]。本研究提出脉冲电流辅助TLP扩散连接技术，采用粉末中间层，利用低压高强脉冲电流通过铝基复合材料搭接面与中间层，产生焦耳热、高温等离子烧结效应，从而实现对SiCp/2024Al复合材料板材的TLP扩散连接，通过分析不同工艺参数下连接试样的微观组织和力学性能，探索脉冲电流对铝基复合材料连接的影响机理，实现SiCp/2024Al复合材料板材的脉冲电流辅助TLP连接。

1 实验材料及方法

采用SiCp/2024Al复合材料板材，碳化硅颗粒增强相体积分数为17%。板材加工成规格为25 mm×10 mm×1.6 mm的试样，进行搭接实验，搭接宽度2 mm。试样处理过程为：采用800号和1200号砂纸打磨试样表面氧化皮 → 乙醇清洗 →超声振动清洗试样油污。中间夹层采用Al(43 μm)，Cu(74 μm)和Ti(43 μm)混合粉末，加入黏结剂调成均匀的糊状，然后平铺在清洗后试样的待焊表面上。如图1所示，脉冲电流通过电极、试样搭接面和粉末中间夹层形成回路，利用脉冲电流产生的焦耳热和等离子烧结效应实现铝基复合材料的TLP冶金化连接。连接过程在真空条件下进行，真空压强为1×10-3Pa；平均电流密度115 A/mm2，连接预紧压力为0.5 MPa，连接时间15～60 min；连接过程温度用红外测温仪进行测量监控。保温结束后，在真空状态下冷却至室温。焊后采用电子万能拉伸机测试接头力学性能，采用扫描电镜分析连接接头微观组织。

图1 脉冲电流辅助粉末夹层TLP连接装置示意图Fig.1 Set-up of pulse current auxiliary TLP with powders interlayer

2 结果与分析

2.1 接头显微组织及成分分析

图2和图3所示为脉冲电流密度为115 A/mm2作用下，连接温度580 ℃、连接时间分别为45 min和60 min时，获得的接头显微组织形貌。表1展示了图2(b)和图3(b)中标记点的元素成份表征。根据连接接头显微组织可以看出，接头形成了良好的冶金连接界面，接头分为三部分：SiCp/Al复合材料基体、元素扩散层、冶金反应层。在实验施加脉冲电流作用下，Al-Cu-Ti混合粉末中间层的铜粉与铝粉及铝基体发生共晶反应，产生局部液相共晶组织(点B和H)。随着连接过程的持续，液相中富集的铜元素不断向基体中扩散，使得焊缝组织逐渐均匀化，实现铝基复合材料的冶金化连接。同时，钛元素被铝铜共晶液相所包围，在脉冲电流作用下与铝元素反应原位生成金属间化合物增强相(点C和F)。通过对比，随着连接时间的增加，元素扩散层和冶金反应层显微组织结合面越来越致密、元素分布越来越均匀。同时，对比图2(a)和图3(a)线扫描结果，随着连接时间增加，Cu元素的扩散层增大。

2.2 接头力学性能及连接机理分析

图4所示为连接时间对接头剪切强度的影响。结果显示，在连接时间为15 min时，接头的剪切强度仅为42 MPa，主要是由于反应时间较短，原子扩散不充分，扩散层厚度太薄，造成接头剪切强度较低。随着连接时间的增加，连接接头的剪切强度随着升高。在连接时间为60 min时，其断裂失效发生在连接接头的热影响区，剪切强度达到了154 MPa以上，为铝基复合材料基体剪切强度的61%。图5显示，由于热影响区有中间层粉末和接头内部分液相被挤出，在热影响区局部造成铜元素集中，铝基体与铜元素局部形成过量的共晶液相，从而产生增强相偏聚及过量的共晶体形成。当剪切力达到一定值时，P-P(颗粒-颗粒)界面处最易生成微裂纹，P-M(颗粒-基体)次之， 而M-M(基体-基体)则结合状态较强。由于增强相颗粒间的弱连接，使得裂纹主要在该偏聚区产生和扩展。

图2 580 ℃连接45 min的焊接接头的微观组织及成分表征 (a)接头形貌及线扫描；(b)显微组织Fig.2 Micro-structure images and EDAX spectrums of joint at 580 ℃ in 45 min (a) topography and EDS line scanning;(b) micro-structure image

图3 580 ℃连接60 min的焊接接头的微观组织及成分表征 (a)接头形貌及线扫描； (b)显微组织Fig.3 Micro-structure images and EDAX spectrums of joint at 580 ℃ in 60 min (a) topography and EDS line scanning; (b) micro-structure image表1 图2(b)和图3(b)中表征点的元素成分 (质量分数/%)Table 1 Elemental composition of points in Fig.2 (c) and Fig.3 (c) (mass faction/%)

ZoneAlTiCuA0．5298．221．27B50．210．8348．96C61．7035．712．60D96．630．752．62E0．8997．541．56F58．9839．231．79G93．090．945．97H52．850．5846．56

图4 连接接头的剪切强度Fig.4 Shear strength of joints

图5 连接接头热影响区断裂照片及微观结构Fig.5 Schematic diagram and micro-structure of heat effect zone of joint

图6 连接接头的维氏硬度Fig.6 Micro-hardness of joints

图6所示为连接接头不同区域的维氏硬度分布示意图。根据获得的结果，接头的维氏硬度排序为：粉末中间夹层区(Zorn 0) > 扩散区(Zorn±Ⅰ) >铝基复合材料基体(Zorn±Ⅱ和Zorn±Ⅲ)。其中，粉末中间夹层发生冶金反应，原位生成高强度高硬度的金属间化合物，造成粉末中间夹层区硬度明显提高。

实验对接头断口冶金反应后的中间夹层成分进行了XRD分析，结果如图7所示。连接接头的中间夹层成分主要由Al相、Al2Cu及Al3Ti金属间化合物等复合生成物组成。原位生成弥散的高强度高硬度金属间化合物增强相与Al基体间具有较好的润湿性，能够有效地提高结构的力学性能。

图7 连接时间为60 min时连接接头断口中间夹层 成份XRD分析Fig.7 XRD pattern of joints bonded for 60 min

图8所示为脉冲电流在TLP连接过程中的作用机理示意图，脉冲电流通过电极通过基板和粉末中间层，产生焦耳热及粉末中间层放电等离子烧结效应，实现了连接接头的冶金致密化。在脉冲电流作用下，粉末中间层放电等离子烧结[11-14]，原位弥散生成的Al3Ti金属间化合物与基体的润湿性较好、热膨胀率接近，能够有效提高界面的载荷传递能力，从而有效增强连接接头的力学性能[15]。同时，铜元素在铝基复合材料基体与中间层界面处产生的热扩散效应，最终实现接头的形成。另一方面，脉冲电流通过在轴向压力和热效应作用下形成的Al-Ti耦合颗粒时，能够减少金属间相的有效激活能[16-18]，并且在电迁移效应下进行固态扩散[19]，从而促进连接接头的均匀致密化过程。

图8 脉冲电流在TLP扩散连接中的作用机理示意图Fig.8 Effect of pulse current on TLP diffusion bonding

3 结 论

(1)脉冲电流辅助粉末夹层瞬间液相扩散连接接头形成了良好的冶金连接界面，无缺陷产生。连接界面主要包括3部分：SiCP/Al复合材料基体、元素扩散层、冶金反应层。随着连接时间的增加，元素扩散层和冶金反应层显微组织结合面越来越致密、元素分布越来越均匀。

(2)在连接时间为15 min时，接头的剪切强度仅为42 MPa，主要是由于反应时间较短，原子扩散不充分，扩散层厚度太薄，造成接头剪切强度较低。随着连接时间的增加，在连接时间为60 min时，其断裂失效发生在连接接头的热影响区，剪切强度达到了154 MPa以上，为铝基复合材料基体剪切强度的61%。接头的维氏硬度排序为：粉末中间夹层区>扩散区>铝基复合材料基体。

(3)对接头剪切断面进行了XRD分析，接头的中间夹层成分主要由Al相、Al2Cu及Al3Ti金属间化合物等复合生成物组成。原位生成弥散的高强度高硬度金属间化合物增强相与Al基体间具有较好的润湿性，能够有效的提高结构的力学性能。

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(责任编辑：张 峥)

Pulse Current Assisted TLP Bonding of SiCP/Al Composites Sheet Using Powders Interlayer

WANG Bo1, LAI Xiaoming1, YI Zhuoxun1, ZHANG Kaifeng2

(1.Department of Mechanical and Electronics, Beijing Spacecrafts, Beijing 100094, China; 2. School of Materials Science and Engineering ,Harbin Institutes of Technology, Harbin 150001,China)

The powders interlayer was applied for transient liquid phase (TLP) bonding of SiCp/Al composites using pulse current heating. Pulse current got though the joint with powder interlayer and generated the effect of Joule heat and spark plasma sintering to achieve the TLP bonding of SiCp/Al composites sheet. The results show that there is the good TLP bonded joint without defects under the conditions of vacuum:1.39×103Pa; Pulse current density: 115 A/mm2; holding time: 15-60 min; original pressure: 0.5 MPa. The results reveal the dense joint without pores composed of the Al-based solid solution, pure Ti zone, Al2Cu, and Al3Ti intermetallic phase. Furthermore, the thermal and isothermal effects of pulse current oninsitusynthesis of TLP bonded joints of SiCp/Al composites using mixed Al-Cu-Ti powder interlayer are analyzed and discussed. According to microstructure of joint, pulse current promote to in situ form the intermetallic compound, which can provide higher mechanical properties of joint.

TLP bonding；pulse current heating；powders interlayer；Al composites

2016-08-15；

2017-02-13

国家自然科学基金项目(51405487)

王博(1984—)，男，博士，高级工程师，主要从事金属基复合材料连接技术研究，(E-mail)wangb529@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000142

TB331

A

1005-5053(2017)03-0044-06