金屬基復(fù)合材料激光誘發(fā)反應(yīng)焊接研究

圖5激光誘發(fā)反應(yīng)焊焊接接頭X射線衍射圖由圖2和圖3可以看出，常規(guī)激光焊接頭熔化區(qū)主要由Al4C3和灰色塊狀顆粒Si組成，Al4C3呈針狀、性脆，會降低金屬基復(fù)合材料的機(jī)械性能［5］。Al4C3的大小和數(shù)量取決于激光的熱輸入，即復(fù)合材料的增強(qiáng)相（SiC）與基體（2124Al）之間的反應(yīng)程度直接同激光能量成比例。因此，合理地控制激光參數(shù)就可能減少碳化鋁的生成。

由圖4及圖5可以看出，添加鈦元素的激光誘發(fā)反應(yīng)焊焊縫中的SiC顆粒雖然全部消失，但并沒有發(fā)現(xiàn)針狀的Al4C3相，替而代之生成的是細(xì)小的TiC顆粒，其形貌，如圖6所示。此外，相分析表明，在常規(guī)激光焊和激光誘發(fā)反應(yīng)焊的焊接接頭中還有AlCuMg和Al7Cu3Mg6生成。Ti主要以TiC的形式存在于焊縫中，另有少量的Ti溶于Al基體中，也可能有極少量的鈦鋁化合物存在，但在相分析中沒有發(fā)現(xiàn)鈦鋁化合物。

圖6激光誘發(fā)反應(yīng)焊生成的TiC形貌從圖2所得焊縫來看，焊縫中并不存在文獻(xiàn)［6］發(fā)現(xiàn)的SiC顆粒重新分布區(qū)。這主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)所用材料中SiC顆粒很細(xì)小，平均直徑僅為3μm，而文獻(xiàn)［6］中SiC顆粒平均直徑為10μm。而SiC顆粒愈小，其表面積愈大，愈容易與液態(tài)鋁完全發(fā)生界面反應(yīng)而消失。文獻(xiàn)［6］中MMCs的基體材料為A356，其Si含量很高（約7%），有游離的Si存在，根據(jù)反應(yīng)式（1）可知，Si可以抑制Al4C3的形成，所以，Al4C3僅在熔化區(qū)中溫度較高的區(qū)域里形成。而2124基體中Si含量極低，無游離Si存在，所以，Al4C3的形成不會受到抑制，Al4C3可在整個熔化區(qū)內(nèi)形成。

在常規(guī)激光焊和激光誘發(fā)反應(yīng)焊中涉及的物相主要有Al，SiC，Ti。在高能激光的作用下，SiC熔化或熔解［2,5］能產(chǎn)生C。所以，在焊接過程中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有：

4Al+3SiC=Al4C3+3Si(1)

ΔGT=-11 260＋10.83T
Ti+SiC=TiC+Si(2)

ΔGT=-28 500＋T
Al4C3+3Ti=3TiC+4Al(3)

ΔGT=-74 120－7.83T
Ti＋C＝TiC(4)

ΔGT=-44 100＋2.902T
4Al＋3C＝Al4C3(5)

ΔGT=-58 180＋9.936T

式中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)［7,8］。

這些反應(yīng)中自由焓ΔG隨溫度T的變化規(guī)律可用圖7來表示。

圖7ΔG隨T的變化規(guī)律在SiC顆粒增強(qiáng)2124鋁基復(fù)合材料的激光焊接中，Al4C3是通過反應(yīng)式（1）形成的，由于Al4C3易與水反應(yīng)，常導(dǎo)致接頭變脆。相反，如果接頭中形成了TiC，而不是Al4C3，接頭性能則可能提高，這是因?yàn)門iC的熱穩(wěn)定性極高，在3343K下熔化但不分解（在這個溫度下Al4C3完全分解），而且它的密度和硬度均高于SiC和Al4C3。

由反應(yīng)自由焓ΔG可以知道，在焊縫中加入Ti之后，SiC與Ti的反應(yīng)比與Al的反應(yīng)更容易，所以，反應(yīng)更易形成TiC；盡管在焊接過程中可能有部分SiC與Al反應(yīng)生成Al4C3，但是，新形成的Al4C3會立即與Ti發(fā)生反應(yīng)式（3），形成TiC。反應(yīng)元素Ti用作界面填料可以增加表面能，并可以通過形成穩(wěn)定的TiC提高基體材料的潤濕性能。

總之，理論和試驗(yàn)都證明，碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘發(fā)反應(yīng)焊接方法，可以完全消除Al4C3脆性相, 在熔化區(qū)形成穩(wěn)定的TiC相，從而可以提高復(fù)合材料的接頭性能。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59575069)

作者簡介：徐九華男，生于1964年10月，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。從事專業(yè)：機(jī)械制造及自動化。研究方向：切削加工、成形加工與激光焊接。中國航空切削研究會副主任，江蘇省航空學(xué)會冷加工專業(yè)委員會副主任。曾獲省級科技進(jìn)步獎5項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇。
范炯男，1966年9月生，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生，主要從事激光焊接和減摩耐磨涂層方面的研究。
林祥豐男，1941年3月生，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)材料工程系教授，主要從事焊接與熱處理方面的研究，近年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇。

作者單位：南京航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京210016

參考文獻(xiàn)
［1］陳茂愛. 金屬基復(fù)合材料的焊接研究［J］. 材料開發(fā)與應(yīng)用，1997, 12(3):34～40.
［2］Dahotre N B, McCay M H, Macay T D, et al. Pulsed laser processing of a SiC/Al ally metal matrix composite［J］. J Mater Res, 1991, 6(3):514～529.
［3］XU Jiu-hua, JIANG Cheng-yu. Pulsed Nd-YAG laser welding of an Al-SiCp metal matrix composite［J］. Chinese Journal of Aeronautic, 1997, 10(1): 75～80.
［4］Ahearn J S, Cooke C, Fishman S G. Fusion welding of SiC-reinforced Al composites［J］. Metal Construction, 1982, (4):192～197.
［5］Dahotre N B, Macay T D, McCay M H. Laser processing of a SiC／Al-alloy metal matrix composite［J］. J Appl Phys, 1989, 65(2):15～21.
［6］Copinathan S C. The Laser Welding of Al-SiCp metal matrix composites: An analytical estimate for the formation of aluminum carbide［D］. Michigan: Published by UMI, 1992.12～14.
［7］姚允斌. 物理化學(xué)手冊［M］. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.123～140.
［8］迪安. 蘭氏化學(xué)手冊［M］. 北京: 科學(xué)出版社，1991.910～923.(end)