稀有金属CHINESE JOURNALOF RARE METALS1999年 第1期 No.1 1999金属基复合材料连接技术的研究进展*高静微 摘要：对金属基复合材料的各种连接技术，包括熔融焊接 (钨惰性气体焊接、金属惰性气体焊接、电子束焊接、激光束焊接、接触电阻焊接、电容放电焊接、等离子体焊接)、固相连接 (扩散连接、摩擦连接、磁励电弧对接)、钎焊、胶粘、等离子喷涂连接、快速红外连接等工艺方法进行了系统地分析和总结。
简要介绍了各种连接方法的工艺特点和使用范围，重点对等离子喷涂连接和快速红外连接这两种新型技术的工艺过程进行了较为详细的说明。
对各种连接方法的优缺点及发展前景进行了分析和比较，提出应该加强MMCs接头的机械性能特别是断裂韧性和疲劳特性测试的工作，进一步优化MMCs连接技术。
关键词：金属基复合材料 连接技术 铝基合金 碳化硅Research and Development of Joining Techniques ofMetalmatrix CompositesGao Jingwei(General Research Institute for Non-ferrousmetals,Beijing 100088,China) Abstract：A number of joining techniques weresystematically reviewed,namely: fusion welding (tungsten andmetal inert gas welding,electron and laser beam welding,resistance, capacitor discharge,and plasma welding),solidstate bonding (diffusion bonding,friction andmagnetically impelled arc butt welding),brazing,adhesive bonding,plasmaspraying joining, rapid infrared joining. At first,the processes characteristics and use range of each joining technique were recommended briefly,particularly the detailed description aremade for the two new techniques,plasmaspraying joining and rapid infrared joining.secondly,the advantages, disadvantages and prospects of each technique were analyzed and compared with respect tomechanical properties of the joints and operationalsimplicity. Finally,it was proposed to optimise the joining techniques ofmMCs and improve themechanical properties,in particular, fracture toughness and fatigue properties. Key Words:Metalmatrix composites,Joining technique,Al-based alloy,siC particle 金属基复合材料 (MMCs) 作为一种结构材料，具有强度高、耐磨、耐高温的优良特性，而且这些性能可以根据用户的需要设计调整，在汽车业、航空航天业、国防工业、航运业、运动商品等方面的应用已越来越广泛，因此它的连接技术已显得非常重要。
目前的MMCs一般以轻合金 (如铝合金、镁合金、钛合金等) 作为基体，以陶瓷颗粒或纤维 (SiC、Al2O3、B4C等) 作为加强物，由于基体与加强物性能的不同，使得这种先进材料的焊接成为一个难题，与价格问题［1］一样成为限制它走向大规模实用化的障碍。
目前对于MMCs连接技术的研究十分欠缺，尚未开发出任何一种成熟的MMCs 焊接技术。
本文对目前用于MMCs的各种连接技术进行了系统地总结，这些技术包括熔融焊接 (钨和惰性气体焊接、电子和激光束焊接、接触电阻焊接、电容放电焊接、等离子体焊接)、固相连接 (扩散连接、摩擦焊接和磁励电弧对接)、钎焊和胶粘、等离子喷涂连接、快速红外连接，对各种技术的工艺特点、使用范围、优缺点、发展前景进行了分析比较。
这些方法都可以用于连接MMCs工件，但要使这些带有接头的MMCs 工件在实际中应用，还有一些问题需要解决。
1 应用于MMCs的常规连接技术 金属基复合材料根据基体材料的不同，可分为铝基、钛基、镁基复合材料，根据增强物的种类不同，可分为颗粒增强、晶须增强、短纤维增强、长纤维增强复合材料，同时材料的基体成分、增强物成分及尺寸都是可以根据需要人为设计的，因此MMCs的种类十分繁多。
不同的复合材料具有不同的高温性能和机械性能，需要不同的连接技术，所以用于MMCs的连接技术种类较多，目前可以在实际中应用的有十几种。
1.1 熔融焊接 目前在MMCs的熔融焊接方面的研究工作相对多一些［2～4］，这些工作研究结果表明，各种熔融焊接方法可以用于MMCs，但是效果不够理想，特别是对于铝基MMCs，还存在着一系列的问题需要解决，主要有 (1) 常规的熔融焊接需要在高温下进行，而高温会引起复合材料基体与加强物界面上的化学反应，如在SiC颗粒加强的铝基MMCs中，SiC颗粒与铝基体发生反应生成大量脆性Al4C3，从而导致材料的力学性能大幅度下降；(2) 常规的熔融焊接加工MMCs，当基体被加热到熔点以上融化时，加强物仍然保持固态，因此熔池粘滞性很高，基体与增强物很难融合，在焊池的冷却过程中会发生加强物的剥离；(3) 如果MMCs采用粉末冶金法制造，闭塞在材料里的气体会在焊池凝固时冲出，导致大量的气孔在焊池和热影响区 (HAZ) 形成。
这些问题可以通过在焊池中添加合金化元素、提高焊接热循环速度、减少焊接时工件的热输入等方法在一定程度上得到缓解。
1.1.1 钨极惰气保护焊接 (TIG) TIG法是在惰性气体保护下，钨电极和焊接工件间产生电弧使工件局部熔化连接在一起，必要时可添加焊料。
铝基MMCs结构件采用TIG法的标准焊接程序和设备即可，但需要进行一些预处理或者添加焊料。
如Duralcan W6A.10A压延件，添加富含镁的焊料ER5356可获得较为理想的接头 (接头的机械性能见表1［4］)；6061-T6/20SiC p工件，在焊接前需进行真空排气，焊接时添加富含硅的铝焊料ER4043或4047可获得较为理想的接头，真空排气可去除粉末冶金法制造MMCs时材料内部存留的氢气，避免焊接处产生气孔，而ER4043和4047焊料可增强SiC颗粒在基体中的润湿性，抑制SiC颗粒与铝基体发生反应。
其他还有2080/20SiC p添加ER4047、7475/20SiC p添加ER4047、Duralcan F3S.20S铸件添加ER4047、6061/B添加ER4043都可以用TIG方法获得较好的焊接效果。
表1 Duralcan W6A.10A-T6自行车管TIG焊接接头的机械性能材料拉伸强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%6061-T6324290 5.0Duralcan W6A.10A-359324 5.0 T6Duralcan W6A.10A-310283 2.2 T6接头 1.1.2 金属极惰气保护焊接 (MIG) MIG法是把小直径电极丝放在焊接工件处，电极丝与工件之间产生电弧使工件熔化，为了保护熔融的高温材料，需在电极丝周围通入惰性气体。
MIG方法与TIG方法一样在焊接MMCs方面受到研究人员较多的关注。
该方法也可用于Duralcan W6A.20A压延件的焊接，为获得较好的焊接效果，需添加焊料ER5356，接头经过热处理后，拉伸强度超过类似条件焊接的6061-T6合金接头。
MIG方法如用于粉末冶金法获得的Al/SiC p mMCs，也需要经过真空排气并使用ER4043焊料，得到的接头强度超过精锻合金的接头［5］。
MIG与TIG两种方法焊接MMCs在技术上都是比较可靠的，为了比较这两种方法，用这两种方法焊接Comral 85mMCs (20μm的Al2O3颗粒加强的6061合金)，然后对接头的微观结构进行分析，结果表明两种接头上都分布着较多的孔洞，但MIG比TIG技术稍少一些，这与TIG法的焊池温度高有关。
1.1.3 电子束焊接 (EBW) EBW是在真空条件下，将阴极发生的电子束通过正电压加速然后用磁透镜聚焦在工件表面，电子束撞击焊接材料表面产生热量使工件熔融焊接在一起。
电子束的能量密度可达106 W/cm2，而TIG方法的能量密度只有102 W/cm2，因此该方法得到的焊缝深度大而宽度小。
EBW焊接方法具有热循环速度快和工件热输入小的特点，可有效地抑制脆相Al4C3的形成［6］。
EBW方法可用于薄片形纤维加强MMCs (1.2μm厚片形VKA-2Al/B复合材料) 的对头焊接［7］，测试表明该方法的确可减少焊接过程中脆相Al4C3的形成，但对焊接工件的几何形状有较严格的限制。
1.1.4 激光束焊接 (LBW) LBW方法与EBW方法类似，也是一种能量束焊接方法，能量密度约为106 W/cm2。
采用光学透镜聚焦，高能量密度的激光束与工件表面相互作用产生耦合效应使MMCs 熔融焊接在一起。
脉冲和连续激光器都可用于铝基MMCs的焊接，脉冲Nd-YAG激光器焊接SiC颗粒增强Al-Cu合金［8］的研究表明，SiC p与铝的反应程度与激光能量输入成正比，因此通过精确控制激光输出参数 (主要指激光强度和脉冲持续时间) 可以控制焊接熔融区内脆相Al4C3的形成，在适当的激光强度 (≤4.0×109 W/cm2) 和脉冲时间 (8～10ms) 下，焊区内脆相的数量和尺寸都大大减少。
连续 (CW)CO2激光器与脉冲Nd-YAG激光器焊接A356/15SiC p复合材料的比较表明，连续激光器的焊接效果比脉冲激光器差一些。
1.1.5 接触电阻焊接 接触电阻法是利用焊接材料之间的电阻，通入外接电流产生热量完成MMCs的焊接。
硼丝加强铝合金MMCs的焊接研究表明，硼丝在焊池中完全被破坏，获得的焊缝脆性高强度低，因此该方法不适合焊接这种复合材料。