專利名稱：一種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法
技術領域：
本發明涉及ー種鋁基復合材料與金屬的連接方法。
背景技術：
鋁基復合材料具有高的比強度、比剛度、軸向拉伸強度和耐磨性，優異的耐高溫性能和低的熱膨脹系數，良好的導電、導熱性、抗疲勞性，以及在潮濕或輻射環境下良好的尺寸穩定性等優點，是ー種理想的輕質高強材料。碳纖維增強鋁基復合材料密度小于鋁合金，模量卻比鋁合金高2 4倍，在250°C時其抗拉強度仍能保持室溫抗拉強度的81%，其疲勞強度比鋁合金高38%。制成的構件具有質量輕、剛性好、較小的壁厚、較高的穩定性，可大大提 高設備容量和裝載能力。用碳纖維增強鋁基復合材料制成的衛星拋物面天線骨架，熱膨脹系數低、導熱性好，可在較大溫度范圍內保持其尺寸穩定，使衛星拋物面天線的增益效率提高4倍。DWA公司用石墨纖維增強鋁基復合材料為NASA和Lockheed公司制造衛星上的波導管。用這種材料制成的波導管不但軸向剛度高、膨脹系數低、導電性能好，而且比原用石墨/環氧ー鋁層復合制成的波導管輕30%。隨著C/A1復合材料工程化應用進展的加快，材料自身及與其它材料之間的連接問題已變得越來越重要。纖維增強金屬基復合材料由基體金屬及增強纖維組成，焊接這種復合材料的難點在于，在較高的溫度下，金屬基復合材料中的基體與增強纖維之間通常是熱力學不穩定的，兩者的接觸界面上易發生化學反應，生成對材料性能不利的脆性相，這種反應通常稱為界面反應。碳在固態和液態鋁中的溶解度都不大，固溶度為O. 015% ;而在800°C、1000°C、IlOO0CiP 1200°C時的溶解度分別為O. 1%,0. 14%、016%和O. 32%.在室溫到1670°C的溫度范圍內，Al與C反應生成Al4C3的標準生成自由能都為負值。因此，鋁與碳在熱力學上是不相容的，它們在低溫下已開始反應，只是速度非常緩慢，隨著溫度的上升，反應越來越劇烈，生成的Al4C3量也越來越多。兩者明顯發生作用的溫度根據基體成分和碳纖維結構的不同而不同，約在400°C 500°C之間。焊接溫度在該范圍之上的焊接方法均會引起明顯的界面反應。Al4C3為脆性針狀組織，可使基體與增強纖維之間的界面強度劇烈下降，嚴重惡化母材的性能。目前，對于纖維增強鋁基復合材料的連接主要集中在電弧焊、釬焊以及擴散焊等方法的研究，然而電弧焊由于熔池溫度較高、加熱面積較大，會導致增強相與基體發生嚴重的界面反應；擴散焊由于連接溫度高、加熱時間長，也同樣會導致界面反應的大面積發生；釬焊中的軟釬焊雖然可以實現纖維增強鋁基復合材料的連接，但軟釬料焊接的接頭非常脆，冷卻過程中就可能發生斷裂。本發明提出ー種可以實現碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接方法，連接質量較高，使碳纖維增強鋁基復合材料與金屬間達到很好的冶金結合，同時也不會惡化母材的性能。
發明內容
本發明的目的是為了解決傳統焊接方法整體加熱溫度高，導致增強相碳纖維與鋁之間發生嚴重的界面反應，惡化母材性能的問題，而提供了一種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法。本發明的一種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數將35 39份的鈦粉、58飛2份的鋁粉和2 4份的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內，按球料質量比為5 I的比例放入磨球，在氬氣保護的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、將步驟ー獲得的混合粉末壓制成相對密度為609Γ80%且厚度為f3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設備內，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準中間層壓坯，進行引燃，待中間層引燃后，立即關閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接。本發明的優點一、本發明利用自行研制的自蔓延放熱中間層，并采用激光引燃技術，在常溫、大氣環境下即可實現纖維增強鋁碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接，同時不會影響復合材料的性能，很好的保持了母材的各種優良特性。ニ、利用本發明中的中間層 連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬，中間層與兩側母材達到很好的冶金結合，連接質量好，接頭強度可達30. 5MPa。自蔓延高溫連接(簡稱SHS連接)是利用SHS反應的放熱及其產物來連接待焊母材的技木。本發明采用自制的放熱中間層，利用激光引燃中間層，實現碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接。本發明中采用自制的粉末中間層，由Ti粉、Al粉、C粉按一定的重量配比組成，壓制成廣2_厚的圓柱體，放置在C/A1復合材料與金屬之間，裝配成“三明治”式結構，放在激光器下進行引燃，同時施加一定的壓力，實現連接。本發明利用自制的粉末中間層中的Ti粉與C粉燃燒放出大量的熱，部分熔化與中間層接觸的C/A1復合材料與金屬，使二者發生冶金結合，實現連接。連接過程中Cf/Al母材不受熱，因此不會影響Cf/Al復合材料的性能，很好的保持了母材的各種優良特性。
圖I為激光誘導自蔓延裝配圖；其中，I為激光，2為石墨螺栓，3為鋁基復合材料，4為中間層壓還，5為金屬，6為石墨卡具；圖2為碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的焊縫宏觀形貌圖；其中，圖中左側為Cf/Al復合材料，中間為中間層壓坯，右側為TiAl合金。
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式的一種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強招基復合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數將35 39份的鈦粉、58飛2份的鋁粉和2 4份的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內，按球料質量比為5 I的比例放入磨球，在氬氣保護的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、將步驟ー獲得的混合粉末壓制成相對密度為60°/Γ80%且厚度為f3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設備內，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準中間層壓坯，進行引燃，待中間層引燃后，立即關閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接。本實施方式的優點一、本實施方式利用自行研制的自蔓延放熱中間層，并采用激光引燃技術，在常溫、大氣環境下即可實現碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接，同時不會影響復合材料的性能，很好的保持了母材的各種優良特性。ニ、利用本實施方式中的中間層連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬，中間層與兩側母材達到很好的冶金結合，連接質量好，接頭強度可達30. 5MPa。
具體實施方式
ニ 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一所述的納米碳粉粒度為12500目。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一至ニ不同的是步驟一所述的鈦粉為325 1000目，鋁粉為325 1000目。其它與具體實施方式
一至二相同。 通過以下試驗驗證本發明的效果本試驗的一種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、稱取3. 7g的鈦粉、6. Og的鋁粉和O. 3g的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內，按球料質量比為5 I的比例放入磨球,在気氣保護的條件下，以300r/min的速度球磨2. 5h，得到混合粉末；ニ、將步驟ー獲得的混合粉末壓制成相對密度為70%且厚度為Imm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設備(示意圖如圖I所示)內，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準中間層壓還，進行引燃，待中間層引燃后，立即關閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接。本試驗的碳纖維增強鋁基復合材料為Cf/Al復合材料，購買自哈工大材料學院特種材料研究所 ，金屬為TiAl合金。本試驗圖I中的石墨卡具為半封閉結構，頂層的石墨蓋中間留有ー個通過激光光斑的孔洞，兩邊采用石墨螺栓加壓，由于自蔓延的熱量散失過快，因此本試驗采用半封閉的結構可以有效組織熱量的損失。對本試驗連接后的材料在掃描電子顯微鏡下進行背散射觀察，結果如圖2所示，由圖2可知，中間層與兩側母材達到了很好的結合，在接頭中無明顯缺陷生成，TiAl合金一側有連續的反應層生成，與碳纖維增強鋁基復合材料ー側，中間層與復合材料中的鋁基體由于熱膨脹系數差異較小，因此結合的也較為緊密。
權利要求
1.一種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法，其特征在于激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法是按照以下步驟進行的一、按重量份數將35 39份的鈦粉、58飛2份的鋁粉和2 4份的納米碳粉混合均勻，置于球磨罐內，按球料質量比為5 I的比例放入磨球，在氬氣保護的條件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、將步驟一獲得的混合粉末壓制成相對密度為609Γ80%且厚度為r3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將步驟ニ獲得的中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復合材料與金屬之間裝配成“三明治”式裝配件，然后將裝配件夾好放到激光設備內，在壓カ為5MPa的條件下，將激光的光斑對準中間層壓坯，進行引燃，待中間層引燃后，立即關閉激光器，利用中間層自身放出的熱量，即完成碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的連接。
2.根據權利要求I所述的ー種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法，其特征在于步驟一所述的納米碳粉粒度為12500目。
3.根據權利要求I所述的ー種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法，其特征在于步驟一所述的鈦粉為325 1000目，鋁粉為325 1000目。
全文摘要
一種激光誘導自蔓延連接碳纖維增強鋁基復合材料與金屬的方法，它涉及一種鋁基復合材料與金屬的連接方法。本發明要解決傳統焊接方法整體加熱溫度高，導致增強相碳纖維與鋁之間發生嚴重的界面反應，惡化母材性能的問題。本發明的方法為一、將鈦粉、鋁粉和納米碳粉混合均勻，球磨后得混合粉末；二、將混合粉末壓制成相對密度為60%~80%且厚度為1~3mm的中間層壓坯，密封保存；三、將中間層壓坯置于碳纖維增強鋁基復合材料與金屬之間裝配成“三明治”，用激光引燃中間層后關閉激光器，即完成。本發明利用自蔓延放熱中間層，采用激光引燃技術實現連接，接頭強度達30.5MPa。本發明應用于碳纖維增強鋁基復合材料與金屬連接領域。
文檔編號B23K26/42GK102689096SQ201210185510
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者馮廣杰, 劉政平, 劉羽, 利肇鶴, 張相龍, 李卓然 申請人:哈爾濱工業大學