纖維增強金屬基復(fù)合材料的焊接性

牛比的波波

連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料由基體金屬及增強纖維組成，這類材料的焊接不但涉及金屬基體之間的焊接，還要涉及金屬與非金屬增強相之間的焊接以及增強相之間的焊接。基體通常是一些塑性、韌性好的金屬，其焊接性一般都較好；而增強相是高強度、高彈性模量、高熔點、低密度和低線膨脹系數(shù)的非金屬，其焊接性都很差。因此，纖維增強金屬基復(fù)合材料的焊接性通常也較差，除了基體材料的焊接性問題外，焊接這類復(fù)合材料時還會遇到一些特殊問題。

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④ Al2O3f/Al復(fù)合材料
在1000以下鋁對氧化鋁的潤濕性差。盡管Al一般不與Al2O3反應(yīng)，但鋁合金中的Mg卻極易與Al2O3發(fā)生反應(yīng)。向Al中添加合金元素鋰（＜3％），既可抑制反應(yīng)，又可改善鋁對氧化鋁的潤濕性。℃
⑤ 鋼絲增強鋁基復(fù)合材料
鋁和鐵的相互固溶度都很小，400～460℃時鐵在鋁中不固溶，500、600、655時鐵在鋁中的固溶度分別為0.006％、0.025％、0.052％。℃℃℃
在熔化狀態(tài)下，F(xiàn)e與Al可生成若干金屬間化合物，其中大多數(shù)在室溫下穩(wěn)定。因此，在焊接鋼絲增強的復(fù)合材料時，這些化合物都有生成的可能性。鋼絲中加合金元素C、Cr、Cu、Ni、Mo、Si等都有抑制反應(yīng)的趨勢，其中Si最有效。
⑥ SiCf/Ti復(fù)合材料
熔化焊過程中，Ti與SiC可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiC、Ti5Si3、TiSi2及更復(fù)雜的化合物。這些化合物對接頭的性能均是不利的。
因此，在上述復(fù)合材料的焊接過程中，防止或減輕界面反應(yīng)是保證焊接質(zhì)量的最關(guān)鍵問題之一。該問題可通過冶金或/和工藝兩個方面來解決。
① 冶金方式
通過加入一些活性比基體金屬更強的元素或能防止界面反應(yīng)的元素來防止界面反應(yīng)。例如在焊接SiCf/Al時，可在熔池中加入Ti，Ti可以取代Al與SiC反應(yīng)，不僅避免了有害化合物Al4C3的產(chǎn)生，而且生成的TiC還能起強化相的作用。此外，提高基體Al中的含Si量或利用含Si量高的焊絲可抑制Al與SiC間的界面反應(yīng)。
② 工藝方式
通過控制加熱溫度和時間來避免或限制反應(yīng)的進(jìn)行。例如，采用固態(tài)焊工藝或低熱輸入熔焊工藝可限制SiCf/Al復(fù)合材料的界面反應(yīng)。

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回復(fù)：纖維增強金屬基復(fù)合材料的焊接性
（1）界面反應(yīng)
在較高的溫度下，金屬基復(fù)合材料中的基體與增強纖維之間通常是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，兩者的接觸界面上易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對材料性能不利的脆性相，這種反應(yīng)通常稱為界面反應(yīng)。
① Cf/Al復(fù)合材料
碳在固態(tài)和液態(tài)鋁中的溶解度都不大，固溶度為0.015％；而在800、1000、1100和1200時的溶解度分別為0.1％、0.14％、016％和0.32％。℃℃℃℃
目前尚無C-Al系相圖。在室溫到1670的溫度范圍內(nèi)，Al與C反應(yīng)生成Al4C3的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能都為負(fù)值。因此，鋁與碳在熱力學(xué)上是不相容的，它們在低溫下已開始反應(yīng)，只是速度非常緩慢，隨著溫度的上升，反應(yīng)越來越劇烈，生成的Al4C3量也越來越多。兩都明顯發(fā)生作用的溫度根據(jù)基體成分和碳纖維結(jié)構(gòu)的不同而不同，約在400～500℃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(yīng)。℃
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。而且Al4C3能與水反應(yīng)放出CH4氣體，易使接頭發(fā)生低應(yīng)力破壞。Al4C3的成分實際上是在一定范圍內(nèi)變化的，是C在Al中的固溶體。
② Bf/Al復(fù)合材料
硼在鋁中的溶解度很小，最大固溶度為0.025％，730和1300時在液態(tài)鋁中的溶解度分別為0.09％和2.0％。熔化焊焊接過程中，B纖維與Al發(fā)生反應(yīng)，生在AlB2或AlB10反應(yīng)層，使界面強度下降。如果基體為1100Al（相當(dāng)于國內(nèi)牌號L4），則最終產(chǎn)物是AlB2；如果基體是6060Al（相當(dāng)于國內(nèi)牌號LD2），則最終產(chǎn)物是AlB12。℃℃
③ SiCf/Al復(fù)合材料
SiCf/Al復(fù)合材料在固態(tài)下雖不發(fā)生反應(yīng)，但在基體Al熔化后可發(fā)生下列反應(yīng)，生成Al4C3，即
4Al＋3SiC══Al4C3＋3Si