[发明专利]一种激光诱导自蔓延连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料与金属的连接方法。

背景技术

铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐磨性，优异的耐高温性能和低的热膨胀系数，良好的导电、导热性、抗疲劳性，以及在潮湿或辐射环境下良好的尺寸稳定性等优点，是一种理想的轻质高强材料。碳纤维增强铝基复合材料密度小于铝合金，模量却比铝合金高2~4倍，在250℃时其抗拉强度仍能保持室温抗拉强度的81%，其疲劳强度比铝合金高38%。制成的构件具有质量轻、刚性好、较小的壁厚、较高的稳定性，可大大提高设备容量和装载能力。用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系数低、导热性好，可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面天线的增益效率提高4倍。DWA公司用石墨纤维增强铝基复合材料为NASA和Lockheed公司制造卫星上的波导管。用这种材料制成的波导管不但轴向刚度高、膨胀系数低、导电性能好，而且比原用石墨/环氧一铝层复合制成的波导管轻30%。随着C/Al复合材料工程化应用进展的加快，材料自身及与其它材料之间的连接问题已变得越来越重要。

纤维增强金属基复合材料由基体金属及增强纤维组成，焊接这种复合材料的难点在于，在较高的温度下，金属基复合材料中的基体与增强纤维之间通常是热力学不稳定的，两者的接触界面上易发生化学反应，生成对材料性能不利的脆性相，这种反应通常称为界面反应。碳在固态和液态铝中的溶解度都不大，固溶度为0.015％；而在800℃、1000℃、1100℃和1200℃时的溶解度分别为0.1％、0.14％、016％和0.32％。在室温到1670℃的温度范围内，Al与C反应生成Al₄C₃的标准生成自由能都为负值。因此，铝与碳在热力学上是不相容的，它们在低温下已开始反应，只是速度非常缓慢，随着温度的上升，反应越来越剧烈，生成的Al₄C₃量也越来越多。两者明显发生作用的温度根据基体成分和碳纤维结构的不同而不同，约在400℃～500℃之间。焊接温度在该范围之上的焊接方法均会引起明显的界面反应。Al₄C₃为脆性针状组织，可使基体与增强纤维之间的界面强度剧烈下降，严重恶化母材的性能。目前，对于纤维增强铝基复合材料的连接主要集中在电弧焊、钎焊以及扩散焊等方法的研究，然而电弧焊由于熔池温度较高、加热面积较大，会导致增强相与基体发生严重的界面反应；扩散焊由于连接温度高、加热时间长，也同样会导致界面反应的大面积发生；钎焊中的软钎焊虽然可以实现纤维增强铝基复合材料的连接，但软钎料焊接的接头非常脆，冷却过程中就可能发生断裂。本发明提出一种可以实现碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接方法，连接质量较高，使碳纤维增强铝基复合材料与金属间达到很好的冶金结合，同时也不会恶化母材的性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统焊接方法整体加热温度高，导致增强相碳纤维与铝之间发生严重的界面反应，恶化母材性能的问题，而提供了一种激光诱导自蔓延连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法。

本发明的一种激光诱导自蔓延连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按照以下步骤进行的：一、按重量份数将35~39份的钛粉、58~62份的铝粉和2~4份的纳米碳粉混合均匀，置于球磨罐内，按球料质量比为5∶1的比例放入磨球，在氩气保护的条件下，以300~500r/min的速度球磨2~3h，得到混合粉末；二、将步骤一获得的混合粉末压制成相对密度为60%~80%且厚度为1~3mm的中间层压坯，密封保存；三、将步骤二获得的中间层压坯置于碳纤维增强铝基复合材料与金属之间装配成“三明治”式装配件，然后将装配件夹好放到激光设备内，在压力为5MPa的条件下，将激光的光斑对准中间层压坯，进行引燃，待中间层引燃后，立即关闭激光器，利用中间层自身放出的热量，即完成碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接。

本发明的优点：一、本发明利用自行研制的自蔓延放热中间层，并采用激光引燃技术，在常温、大气环境下即可实现纤维增强铝碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接，同时不会影响复合材料的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。二、利用本发明中的中间层连接碳纤维增强铝基复合材料与金属，中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，连接质量好，接头强度可达30.5MPa。

自蔓延高温连接（简称SHS连接）是利用SHS反应的放热及其产物来连接待焊母材的技术。本发明采用自制的放热中间层，利用激光引燃中间层，实现碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接。