纤维增强金属基复合材料的焊接性

牛比的波波

连续纤维增强金属基复合材料由基体金属及增强纤维组成，这类材料的焊接不但涉及金属基体之间的焊接，还要涉及金属与非金属增强相之间的焊接以及增强相之间的焊接。基体通常是一些塑性、韧性好的金属，其焊接性一般都较好；而增强相是高强度、高弹性模量、高熔点、低密度和低线膨胀系数的非金属，其焊接性都很差。因此，纤维增强金属基复合材料的焊接性通常也较差，除了基体材料的焊接性问题外，焊接这类复合材料时还会遇到一些特殊问题。

牛比的波波

回复：纤维增强金属基复合材料的焊接性
（1）界面反应
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。
① Cf/Al复合材料
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％。℃℃℃℃
目前尚无C-Al系相图。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。两都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。而且Al4C3能与水反应放出CH4气体，易使接头发生低应力破坏。Al4C3的成分实际上是在一定范围内变化的，是C在Al中的固溶体。
② Bf/Al复合材料
硼在铝中的溶解度很小，最大固溶度为0.025％，730和1300时在液态铝中的溶解度分别为0.09％和2.0％。熔化焊焊接过程中，B纤维与Al发生反应，生在AlB2或AlB10反应层，使界面强度下降。如果基体为1100Al（相当于国内牌号L4），则最终产物是AlB2；如果基体是6060Al（相当于国内牌号LD2），则最终产物是AlB12。℃℃
③ SiCf/Al复合材料
SiCf/Al复合材料在固态下虽不发生反应，但在基体Al熔化后可发生下列反应，生成Al4C3，即
4Al＋3SiC══Al4C3＋3Si

牛比的波波

④ Al2O3f/Al复合材料
在1000以下铝对氧化铝的润湿性差。尽管Al一般不与Al2O3反应，但铝合金中的Mg却极易与Al2O3发生反应。向Al中添加合金元素锂（＜3％），既可抑制反应，又可改善铝对氧化铝的润湿性。℃
⑤ 钢丝增强铝基复合材料
铝和铁的相互固溶度都很小，400～460℃时铁在铝中不固溶，500、600、655时铁在铝中的固溶度分别为0.006％、0.025％、0.052％。℃℃℃
在熔化状态下，Fe与Al可生成若干金属间化合物，其中大多数在室温下稳定。因此，在焊接钢丝增强的复合材料时，这些化合物都有生成的可能性。钢丝中加合金元素C、Cr、Cu、Ni、Mo、Si等都有抑制反应的趋势，其中Si最有效。
⑥ SiCf/Ti复合材料
熔化焊过程中，Ti与SiC可发生化学反应，生成TiC、Ti5Si3、TiSi2及更复杂的化合物。这些化合物对接头的性能均是不利的。
因此，在上述复合材料的焊接过程中，防止或减轻界面反应是保证焊接质量的最关键问题之一。该问题可通过冶金或/和工艺两个方面来解决。
① 冶金方式
通过加入一些活性比基体金属更强的元素或能防止界面反应的元素来防止界面反应。例如在焊接SiCf/Al时，可在熔池中加入Ti，Ti可以取代Al与SiC反应，不仅避免了有害化合物Al4C3的产生，而且生成的TiC还能起强化相的作用。此外，提高基体Al中的含Si量或利用含Si量高的焊丝可抑制Al与SiC间的界面反应。
② 工艺方式
通过控制加热温度和时间来避免或限制反应的进行。例如，采用固态焊工艺或低热输入熔焊工艺可限制SiCf/Al复合材料的界面反应。