基于活性纳米复合中间层的SiCp/Al复合材料激光诱导自蔓延连接机理研究

To overcome the harmful interfacial reaction between SiC particles and aluminium matrix as well as the weak bonding of SiC on the surface during the welding of SiCp/Al composites, this project plans to design and fabricate an active nanocomposite interlayer to realize the reliable joining of SiCp/Al composites using the laser-induced self-propagating high-temperature synthesis (SHS) joining method. The interfacial reaction can be controlled and the metallurgical bonding of SiC on the surface can be enhanced by the SHS reaction with rapid heat release and heat concentration characters. Harmful interfacial reaction within the base metal also can be simultaneously avoided. Plastic phase will be produced in the products, and the joint stress can be relieved through its plastic deformation. Combining theoretical calculation and experiment, this project plans to optimize and fabricate the active nanocomposite interlayer using the short-time high-energy ball milling method. The mechanism of SHS reaction and interfacial heat transfer will be clarified. The evolution regulation of joint interfacial structure will be explored by analyzing the interfacial reaction and microstructure. The response relationship of joint properties to interfacial microstructure evolution will be revealed. The regulation mechanism of joint microstructure and property, as well as the joining mechanism, will be illuminated. This project belongs to the basic cross-cutting field of welding technology and energetic materials. It aims to promote the development of SiCp/Al composites welding technology and provide an innovative idea for the welding of other new materials.

针对SiCp/Al复合材料焊接中存在的SiC颗粒与铝基体间有害界面反应、表面SiC颗粒处结合弱的难题，本项目拟设计和制备一种活性纳米复合中间层，并基于该中间层采用激光诱导自蔓延连接方法实现该材料的可靠连接。利用中间层自蔓延反应放热快速、热量集中的特性控制界面化学反应，起到增强表面SiC颗粒处冶金结合、避免母材有害界面反应的作用；同时，在中间层产物内生成塑性相，利用其塑性变形缓解接头应力。本项目拟在理论计算和实验相结合的基础上，基于短时高能球磨法实现活性纳米复合中间层的优化设计和制备，阐明自蔓延反应机理及连接界面传热机制。通过对接头界面反应和微观组织分析，探索接头组织演变规律，揭示接头性能与组织变化的响应关系，阐明接头组织性能调控机制及连接机理。本项目属于焊接学科、含能材料的基础交叉领域，旨在促进SiCp/Al复合材料焊接技术的发展，也为其它新材料的焊接提供一种创新思路。

SiCp/Al复合材料作为典型的先进结构材料，具有优异的综合性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。但该材料可加工性差，难以实现大型或复杂构件的成型制造。通过焊接的方式将模块化的SiCp/Al复合材料部件进行装配，可以突破构件尺寸和结构的限制，显著拓宽其应用范围、实现巨大经济效益。针对SiCp/Al复合材料的焊接难题，本项目采用激光诱导自蔓延连接方法实现了该材料的可靠连接，并对自蔓延反应机理、接头组织演变规律、接头组织性能调控机制及连接机理等多方面展开系统研究。结合理论计算和实验，采用高能球磨法和冷压法制备了活性纳米中间层，分析了球磨时间和球料比等参数对中间层微观组织和放热性能的影响，最终获得了最优制备参数。制备的活性纳米中间层具有高放热性、低引燃温度和表观活化能。采用制备的活性纳米中间层，本项目成功实现了SiCp/Al复合材料的自蔓延连接，并研究了球磨制备参数、焊接工艺参数、Zr含量对接头显微组织和力学性能的影响，揭示了工艺参数-微观组织-力学性能之间的对应关系，阐明了SiCp/Al复合材料自蔓延连接机理。研究表明，增大连接压力使接头组织更加致密，气孔减少，但过大的压力会降低母材和接头性能。Zr的加入可以增强界面反应，提高中间层产物中的液相比例，使反应产物由单一相NiAl转变为NiAl+Ni-Al-Zr化合物。过量的Zr降低了反应热，中间层未发生完全反应，接头强度大幅度下降。当Zr含量为10 wt.%，连接压力为3MPa时，接头抗剪强度达到最大值22 MPa。本项目成功实现了SiCp/Al复合材料的可靠连接，验证了激光诱导自蔓延连接的可行性和应用前景，既可以促进SiCp/Al复合材料焊接的基础研究，还可以为其实际工程应用提供理论依据，并推动焊接和含能材料的学科交叉研究。