可实现钎缝原位强化的高体积分数铝基复合材料活性液相扩散焊中间层设计及钎缝内原位生成强化相的表征与控制

To reinforce bond seam with in situ formed reinforcement and to achieve reactive wetting at numerous ceramic particle/bond seam matrix (P/M) micro-interfaces during transient liquid phase (TLP) bonding of aluminum matrix composite with high volum fraction of ceramic particle, it was proposed that the interlayer should consit of base metal, melting point dpressant (MPD) and active element. Among them, the active element with a higher melting point than Al is able to react with ceramic reinforcement, but has no eutectic reaction with Al. The modified TLP bonding using the novel interlayer is call in situ Active-TLP process. During the novel process, the matrix of bond seam will become solid solution after isothermal solidification resulting from diffusion of MPD into Al matrix; on the other hand, unlike MPD, the used active element is hard to diffuse into Al matrix because it acts as a melting point increaser (MPI) for Al matrix,thus resulting in the presence of refractory and fine metallic compound within bond seam as a newly formed reinforcement for bond seam. The effect of interlayer composition, parent composite and bonding variables on the wettability at joining interface, in situ formed compound reinforcement size, distribution, volume fraction, interface structure between the conpound reiforcement and bond seam matrix and joint property will be investagated. These studies aim to create a more appropriate interlayer composition design route for TLP bonding of aluminum matrix composite.

为重点实现钎缝原位强化，并兼顾实现高体积分数铝基复合材料众多陶瓷颗粒/钎缝（P/M）界面反应润湿这两方面的组织控制目标，提出液相扩散焊中间层应由基体元素、降熔元素与"升熔型活性元素"（指熔点高于Al并与Al不发生共晶反应，但能与陶瓷增强相反应的活性元素）构成的设计思路。称这种面向复合材料的改进型液相扩散焊为"原位强化活性液相扩散焊（In situ A-TLP）"。其钎缝原位强化思路为：一方面在等温凝固中降熔元素向Al基体扩散后，钎缝基体转变为综合性能优良的固溶体；另一方面，利用液态升熔型活性元素极难向Al基体扩散而在钎缝中趋于保留的特点，足以在钎缝中原位形成含有升熔型活性元素、难熔、弥散分布的二元或三元金属间化合物强化相。循此中间层合金系设计原则，系列研究中间层成分、复合材料母材、规范对界面润湿、原位形成的强化相尺寸、分布、体积分数等及接头性能的影响。逐步建立具有自我特色的中间层设计理论。

本项目针对润湿性极差的高体积分数铝基复合材料母材(70 vol.% SiCp/ZL101)，为了在其TLP钎缝中获得原位强化相并兼顾润湿性的改善，首次提出了升熔元素 (MPI: Melting Point Increaser) 的定义(如Ti)；并通过已溶解的升熔元素在等温凝固过程中的析出，获得了微细、分散含Ti的IMC相，充当固溶体基钎缝的原位强化相；设计、制备、评价了四组熔点依次降低的含Mg、Ti的活性钎料(基本型Cu基；Al-Cu二元共晶基、Al-Cu-Si三元共晶基、Al-Mg近共晶基活性钎料)；最终创立了要求“低熔点降熔公用活性元素”（即在低温下对陶瓷颗粒与铝基体均为活性元素）与“升熔活性元素”共存的钎料设计原则，即Al基元＋足量低熔点公用活性元素(兼具MPD的作用)＋少量升熔型活性元素。低熔点公用活性MPD(Mg)主要起改善润湿性的作用；升熔型活性元素(Ti)主要起形成原位强化相的作用。循此思路成功研发了低熔点、对SiC润湿性优异的Al-Mg-Ga-Ti活性软钎料。.在界面润湿性的特殊性及其改进方面，对比分析指出了高体积分数复合材料润湿性困难原因——微小基体单元尺寸效应(M/M界面)与P/M界面润湿反应窗口时间；提出了润湿反应窗口时间模型；提出了添加低熔点降熔公用活性元素或同时添加活性MPD与活性MPI以改善润湿性。.在原位强化相形成与控制方面，对高、中、低不同体积分数的70 vol.% SiCp/ZL101、30 vol.% Al2O3sf/Al、10 vol.% SiCp/ZL101母材，分别采用优化后的Al-24Mg-16Ga-1Ti、Al-12Si-0.5Ti与Al-19Cu-1Ti活性钎料箔带，均在钎缝中获得了细小、分散、适量的含Ti型IMC微粒，接头剪切性能几近母材(98%以上)，实证了少量添加MPI(Ti)可获得原位强化相的正确性与普适性。基于全程关注MPI与MPD的行为，提出了等温凝固中原位强化相形成模型，即已溶解MPI的浓化→析出→终止→吞并。其实质为已溶解的MPI以IMC微粒重新分散析出。.焊接条件影响的特点如下：微熔与中压条件可防液相挤出、润湿性优良并获得原位强化相的钎缝。温度过高虽润湿性未受明显影响，但基体溶解过度，粗大Si针集中出现，导致钎缝内含Ti相随之粗化又集中；压力过大分化低熔点活性液相，影响润湿性又使IMC粗化。