[发明专利]铝基复合材料的原位强化活性液相扩散焊方法及其所用的Al-Cu-Ti系三元活性钎料

说明书

技术领域：

本发明涉及铝基复合材料焊接方法及其所用焊接材料——钎料。尤其是提出了一种采用含有升熔型活性元素的三元活性钎料的“原位强化活性液相扩散焊”(In situ A-TLP)方法；并循其思路，给出了可实现该新工艺的Al-Cu-Ti系三元活性钎料的成分设计结果及其制备方法。 

背景技术：

随着铝基复合材料制备的低成本技术日益成熟，铝基复合材料的商用范围渐趋广泛。目前的主要制备方法有：搅拌铸造，挤压铸造，无压浸渗，粉末冶金法等。其中搅拌铸造因成本低、易操作而广为接受。SiCp/ZL101铝基复合材料因为其复合系润湿性良好，故可用搅拌铸造或挤压铸造制备，具有低成本的优势，为常见铝基复合材料之一。为其开发合适的焊接方法与焊接材料显得更具有工程应用价值。由于铝基复合材料本身的颗粒增强相的存在严重影响了铝基复合材料的可焊性，对常用的焊接工艺和钎料提出了更高的挑战。此外，ZL101的合金型基体也要求新设计钎料的熔点应比常用Al-12Si钎料的熔点要低。 

首先，铝基复合材料采用传统的熔焊方法(电弧焊，激光焊，电子焊等工艺)时，在可焊性方面存在的主要问题有： 

(1)陶瓷增强相与金属界面间(R/M)易发生有害界面反应：以增强相SiC的铝基复合材料为例，其反应产物为针状、脆性、易吸潮的Al₄C₃。采用相对稳定的Al₂O₃陶瓷增强相，在877℃以上时易发生反应生成有害的气态低价化合物Al₂O，严重恶化了接头的性能。 

(2)颗粒偏聚与空洞：在采用传统的焊接方法焊接铝基复合材料时，由于陶瓷增强相颗粒与金属(由钎料与金属基体混合而成)的润湿性不良而导致陶瓷增强相颗粒的偏聚；同时在陶瓷颗粒的偏聚区中心由于润湿性不良，在金属液难以填充的区域形成空洞。陶瓷颗粒的偏聚区和空洞都是潜在的裂纹源。 

(3)熔池粘度高，易出现氢气孔：采用传统焊接方法焊接铝基复合材料，熔池粘稠，流动性差，使得熔池中的气体溢出困难，最后残留在钎缝中心而形成 气孔。 

为避免传统熔焊方法中的P/M界面的有害反应，在1990s国外(日、美、英、加等国)出现了大量采用纯Cu作中间层的过渡液相扩散焊(TLP：Transient Liquid Phase bonding)的报道[1]。TLP工艺的主要优点在于：与熔焊方法相比，因温度低而无P/M界面的有害反应；与钎焊相比，无需任何钎剂亦能良好去膜。但传统TLP工艺存在以下主要问题：一是颗粒偏聚；二是焊接区陶瓷颗粒/金属基体的界面(称为二次P/M界面)的致密性因润湿性差而变差；三是在焊接面处因液相流失而易形成沟槽导致应力集中。对于颗粒偏聚与界面沟槽主要通过降低Cu箔的厚度解决；对于二次P/M界面润湿性的改进研究报道极为罕见。为此，申请者提出了采用Cu-Ti系中间层的活性液相扩散焊(A-TLP：Active-Transient Liquid Phase bonding)的工艺[2]。虽然申请者前期研发的A-TLP工艺对焊接区二次P/M界面润湿性有所改进，但这种二元合金系也存在一些问题，如所需扩散时间长(通常在1h以上)；颗粒偏聚与焊口周边缺口难以彻底消除等。