金屬基復合材料激光誘發反應焊接研究

圖5激光誘發反應焊焊接接頭X射線衍射圖由圖2和圖3可以看出，常規激光焊接頭熔化區主要由Al4C3和灰色塊狀顆粒Si組成，Al4C3呈針狀、性脆，會降低金屬基復合材料的機械性能［5］。Al4C3的大小和數量取決于激光的熱輸入，即復合材料的增強相（SiC）與基體（2124Al）之間的反應程度直接同激光能量成比例。因此，合理地控制激光參數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反應焊焊縫中的SiC顆粒雖然全部消失，但并沒有發現針狀的Al4C3相，替而代之生成的是細小的TiC顆粒，其形貌，如圖6所示。此外，相分析表明，在常規激光焊和激光誘發反應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現鈦鋁化合物。

圖6激光誘發反應焊生成的TiC形貌從圖2所得焊縫來看，焊縫中并不存在文獻［6］發現的SiC顆粒重新分布區。這主要是因為本試驗所用材料中SiC顆粒很細小，平均直徑僅為3μm，而文獻［6］中SiC顆粒平均直徑為10μm。而SiC顆粒愈小，其表面積愈大，愈容易與液態鋁完全發生界面反應而消失。文獻［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，根據反應式（1）可知，Si可以抑制Al4C3的形成，所以，Al4C3僅在熔化區中溫度較高的區域里形成。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可在整個熔化區內形成。

在常規激光焊和激光誘發反應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］能產生C。所以，在焊接過程中可能發生的化學反應主要有：

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

式中的熱力學數據取自文獻［7,8］。

這些反應中自由焓ΔG隨溫度T的變化規律可用圖7來表示。

圖7ΔG隨T的變化規律在SiC顆粒增強2124鋁基復合材料的激光焊接中，Al4C3是通過反應式（1）形成的，由于Al4C3易與水反應，常導致接頭變脆。相反，如果接頭中形成了TiC，而不是Al4C3，接頭性能則可能提高，這是因為TiC的熱穩定性極高，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。

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

總之，理論和試驗都證明，碳化硅增強鋁基復合材料的激光誘發反應焊接方法，可以完全消除Al4C3脆性相, 在熔化區形成穩定的TiC相，從而可以提高復合材料的接頭性能。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(59575069)

作者簡介：徐九華男，生于1964年10月，現為南京航空航天大學機電工程學院副教授。從事專業：機械制造及自動化。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，江蘇省航空學會冷加工專業委員會副主任。曾獲省級科技進步獎5項，發表學術論文30篇。
范炯男，1966年9月生，現為南京航空航天大學機電工程學院博士研究生，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，現為南京航空航天大學材料工程系教授，主要從事焊接與熱處理方面的研究，近年來發表學術論文十余篇。

作者單位：南京航空航天大學 機電工程學院，江蘇 南京210016

參考文獻
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