金属基复合材料激光诱发反应焊接研究(下)

HEATS

　　由图2和图3可以看出，常规激光焊接头熔化区主要由Al4C3和灰色块状颗粒Si组成，Al4C3呈针状、性脆，会降低金属基复合材料的机械性能。Al4C3的大小和数量取决于激光的热输入，即复合材料的增强相(SiC)与基体(2124Al)之间的反应程度直接同激光能量成比例。因此，合理地控制激光参数就可能减少碳化铝的生成。

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　　由图4及图5可以看出，添加钛元素的激光诱发反应焊焊缝中的SiC颗粒虽然全部消失，但并没有发现针状的Al4C3相，替而代之生成的是细小的TiC颗粒，其形貌，如图6所示。此外，相分析表明，在常规激光焊和激光诱发反应焊的焊接接头中还有AlCuMg和Al7Cu3Mg6生成。Ti主要以TiC的形式存在于焊缝中，另有少量的Ti溶于Al基体中，也可能有极少量的钛铝化合物存在，但在相分析中没有发现钛铝化合物。

　　图6激光诱发反应焊生成的TiC形貌

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　　从图2所得焊缝来看，焊缝中并不存在文献发现的SiC颗粒重新分布区。这主要是因为本试验所用材料中SiC颗粒很细小，平均直径仅为3μm，而文献中SiC颗粒平均直径为10μm。而SiC颗粒愈小，其表面积愈大，愈容易与液态铝完全发生界面反应而消失。文献中MMCs的基体材料为A356，其Si含量很高(约7%)，有游离的Si存在，根据反应式(1)可知，Si可以抑制Al4C3的形成，所以，Al4C3仅在熔化区中温度较高的区域里形成。而2124基体中Si含量极低，无游离Si存在，所以，Al4C3的形成不会受到抑制，Al4C3可在整个熔化区内形成。

　　在常规激光焊和激光诱发反应焊中涉及的物相主要有Al，SiC，Ti。在高能激光的作用下，SiC熔化或熔解能产生C。所以，在焊接过程中可能发生的化学反应主要有：

　　4Al+3SiC=Al4C3+3Si　 　　　(1)

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　　ΔGT=-11 260＋10.83T 　Ti+SiC=TiC+Si　　 　　(2)

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　　ΔGT=-28 500＋T　　　 Al4C3+3Ti=3TiC+4Al　　 (3)

　　ΔGT=-74 120-7.83T　 　 Ti＋C＝TiC　　　          　(4)

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　　ΔGT=-44 100＋2.902T　 　　4Al＋3C＝Al4C3  　　(5)

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　　ΔGT=-58 180＋9.936T

　　式中的热力学数据取自文献。

　　这些反应中自由焓ΔG随温度T的变化规律可用图7来表示。

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　　图7ΔG随T的变化规律

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　　在SiC颗粒增强2124铝基复合材料的激光焊接中，Al4C3是通过反应式(1)形成的，由于Al4C3易与水反应，常导致接头变脆。相反，如果接头中形成了TiC，而不是Al4C3，接头性能则可能提高，这是因为TiC的热稳定性极高，在3343K下熔化但不分解(在这个温度下Al4C3完全分解)，而且它的密度和硬度均高于SiC和Al4C3。

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　　由反应自由焓ΔG可以知道，在焊缝中加入Ti之后，SiC与Ti的反应比与Al的反应更容易，所以，反应更易形成TiC；尽管在焊接过程中可能有部分SiC与Al反应生成Al4C3，但是，新形成的Al4C3会立即与Ti发生反应式(3)，形成TiC。反应元素Ti用作界面填料可以增加表面能，并可以通过形成稳定的TiC提高基体材料的润湿性能。

　　总之，理论和试验都证明，碳化硅增强铝基复合材料的激光诱发反应焊接方法，可以完全消除Al4C3脆性相,在熔化区形成稳定的TiC相，从而可以提高复合材料的接头性能。