本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于纳米多层膜自蔓延连接高体积分数sicp/al复合材料的方法，适用于高体积分数的陶瓷增强相铝基复合材料的同种、异种材料连接，尤其适合焊接热膨胀系数差异较大的材料。
背景技术：
金属基复合材料以其高比强度、高比刚度、高比模量、耐磨性、抗辐射和低热膨胀系数等特点在航空航天、武器装备、电子工业、汽车、化学工业等领域有着广泛的应用前景。其中，以sicp/al为代表的不连续增强铝基复合材料，因其基体质量轻，制造工艺简单，且可用常规金属加工方法制造各种形状的型材和零件，适于工业化批量生产，成为目前价格最便宜、应用最广的一种金属基复合材料。
铝基复合材料中，增强体颗粒如sic等与基体铝合金之间的热物理性能如熔点、导热系数和热膨胀系数等相差悬殊，导致该类材料的焊接性很差。这类材料连接时，除涉及金属基体的结合外，还涉及金属与非金属或金属化合物的结合。采用铝合金常用的焊接方法进行增强相与基体的连接难度很大，焊接高温条件下，sicp/al复合材料中的增强体sic与基体之间会发生界面反应，生成脆性化合物al4c3，严重降低接头的力学性能。
高体积分数sicp/al复合材料钎焊时，焊接温度、保温时间、中间层的选择是难点。当用较低温度钎焊时，钎料熔化不足，并且焊缝界面上的sic颗粒会增加液态钎料的粘滞性，导致液态钎料对母材的润湿性及填缝性能都变差，进而导致焊接接头的抗剪强度较低。随着连接温度的升高，钎料熔化度得以改善，钎缝逐渐变细，接头强度也随之增大，但由于al的熔点为657℃，当钎焊温度过高时，会加剧母材的熔化，熔融的母材向钎缝过渡，加强钎料与母材的相互作用，致使sicp聚集严重、母材过烧、晶粒变粗大，力学性能降低。此外，sic体积分数越大，钎料与母材的润湿性越差，在接头处越容易形成弱连接，降低接头强度。王鹏等人对60vol％sicp/al复合材料真空钎焊时，随着钎焊温度和保温时间的增加，熔融钎料对复合材料的润湿性提高，钎料通过扩散与基体形成冶金结合，但超过最佳温度和保温时间时，接头会出现气孔(高体积分数sicp/6063al复合材料真空钎焊工艺及润湿机理研究,热加工工艺[j],2014,3(43):155-160)。亓钧雷等人研究了al-si-mg/cu箔/al-si-mg(aca)中间层对高体积分数复合材料真空钎焊的影响， 结果表明aca中间层兼具了铜和al-si-mg钎料的优点，可降低钎料的液相线，增加其流动性，通过cu原子优先在铝合金基体与其氧化膜的界面处扩散发生共晶反应，增强钎料的去膜作用，从而实现高体积分数45％sicp/al复合材料的高质量连接(中间层对高体积分数sicp/al复合材料真空钎焊的影响,焊接学报[j],2014,4(35)：49-52)。
技术实现要素：
为了解决颗粒增强铝基复合材料在焊接过程中增强相烧损及接头处生成针形脆性相的问题，本发明提供了一种基于纳米多层膜自蔓延连接高体积分数sicp/al复合材料的方法，利用纳米多层膜作为热源实现快速局部移动加热，瞬间释放热量，该方法对母材的热影响小，减少颗粒增强相的烧损，提高接头强度，实现高体积分数sicp/al复合材料的高质量连接。
本发明的技术方案如下：
一种基于纳米多层膜自蔓延连接高体积分数sicp/al复合材料的方法，具体步骤如下：
步骤1，在钎料中机械添加体积分数为5％～20％的sic颗粒；
步骤2，将高体积分数sicp/al复合材料待焊表面用砂纸打磨至出现黑色sic颗粒，清洗干净，依次按高体积分数sicp/al复合材料、钎料、al/ni纳米多层膜、钎料、高体积分数sicp/al复合材料的顺序形成三明治装配；
步骤3，垂直步骤2中按顺序装配的试样表面均匀地施加10mpa～200mpa的压力，然后用电火花点燃al/ni纳米多层膜，电火花电压为9～30v，反应完成后，冷却至室温，撤去压力。
本发明中所述的高体积分数sicp/al复合材料中sic体积分数为50％～80％，待焊接的高体积分数sicp/al复合材料中的sic体积分数可相同或不同。
本发明所述的钎料为al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn。
优选地，步骤2中，所述的钎料层的厚度为25～30μm。
优选地，步骤2中，所述的al/ni纳米多层膜的厚度为40～120μm。
本发明通过在钎料中添加sic颗粒，减少接头中脆性相的生成，并在焊接过程中熔铸形成sicp/al复合材料，提高了接头强度，改善接头的性能。
本发明中的al/ni纳米多层膜作为局部热源，在室温下即可引燃，燃烧反应可以在空气中进行，反应迅速，且对母材的热影响小，在连接过程中可以减少sic增强相的烧 损及al4c3针形脆性相的生成。燃烧后温度可以高于母材熔化的温度，但母材基本不熔化，不同膜厚度的放热量不同，可根据焊接试验条件要求确定不同的膜厚度参数，燃烧放出的热量足以熔化钎料，实现高体积分数sicp/al复合材料的连接。
本发明利用纳米多层膜作为热源，在电火花引燃下发生自蔓延反应，连接时，纳米多层膜两侧熔化的钎料通过裂缝融合成为一体，薄膜自蔓延反应后生成alni化合物，较脆，其在破碎时消耗了很大一部分热应力，降低了残余应力对钎缝的影响，避免焊接组件产生大的焊接变形。此外，连接过程中对焊接整体持续施加压力，促进钎料的熔化和润湿，焊接接头剪切强度比利用其他钎焊方法时明显提高，实现了高体积分数sicp/al复合材料的高质量连接。
附图说明
图1为本发明的高体积分数sicp/al复合材料、钎料、al/ni纳米多层膜、钎料、高体积分数sicp/al复合材料按顺序形成的三明治装配结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
一种基于纳米多层膜自蔓延连接高体积分数sicp/al复合材料的方法，具体步骤如下：
步骤1，在钎料中机械添加体积分数为5％～20％的sic颗粒；
步骤2，将高体积分数sicp/al复合材料待焊表面用砂纸打磨至出现黑色sic颗粒，清洗干净，依次按高体积分数sicp/al复合材料、钎料、al/ni纳米多层膜、钎料、高体积分数sicp/al复合材料的顺序形成三明治装配；
步骤3，垂直步骤2中按顺序装配的试样表面均匀地施加10mpa～200mpa的压力，然后用电火花点燃al/ni纳米多层膜，电火花电压为9～30v，反应完成后，冷却至室温，撤去压力。
本发明中所述的高体积分数sicp/al复合材料中sic体积分数为50％～80％，待焊接的高体积分数sicp/al复合材料中的sic体积分数可相同或不同。
本发明所述的钎料为al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn，式中数字为各组分的质量分数，al的质量分数为余量。
优选地，步骤2中，所述的钎料层的厚度为25～30μm。
优选地，步骤2中，所述的al/ni纳米多层膜的厚度为40～120μm。
如图1所示，高体积分数sicp/al复合材料(1)、钎料(2)、al/ni纳米多层膜(3)、钎料(2)、高体积分数sicp/al复合材料(1)按顺序形成的三明治装配结构，其中待焊接的高体积分数sicp/al复合材料(1)中的sic体积分数可相同或不同。压力均匀垂直施加于高体积分数sicp/al复合材料(1)的表面。
实施例1
步骤1，在al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-10sic钎料中机械添加sic颗粒，sic的体积分数为20％；
步骤2，将sic体积分数为50％的sicp/al复合材料待焊表面用砂纸打磨至出现黑色sic颗粒，之后放入丙酮中超声清洗5min，水洗然后在酒精中超声清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al复合材料、钎料、al/ni纳米多层膜、钎料、sicp/al复合材料的顺序放好，形成三明治装配，al/ni纳米多层膜的厚度为40μm，钎料层的厚度为25μm，对摆放好顺序的试样预加压力为200mpa，然后用9v的电火花点燃，发生自蔓延反应，反应在瞬间完成，实现材料的连接，待冷却到室温后，撤去压力。试验结果表明：钎缝与母材连接紧密，焊接接头未出现气孔、孔洞、未焊合等缺陷，接头剪切强度达到124.8mpa，而真空加压钎焊方法所得到的剪切强度约为83mpa。
实施例2
步骤1，在向al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-15sic钎料中机械添加sic颗粒，sic体积分数为5％；
步骤2，将sic体积分数为80％的sicp/al复合材料待焊表面用砂纸打磨至出现黑色sic颗粒，之后放入丙酮中超声清洗5min，水洗然后在酒精中超声清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al复合材料、钎料、al/ni纳米多层膜、钎料、sicp/al复合材料的顺序放好，形成三明治装配，al/ni纳米多层膜的厚度为120μm，钎料层的厚度为30μm，对摆放好顺序的试样预加压力为10mpa，然后用30v的电火花点燃，发生自蔓延反应，反应在瞬间完成，实现材料的连接，待冷却到室温后，撤去压力。试验结果表明：钎缝与母材连接紧密，焊接接头未出现气孔、孔洞、未焊合等缺陷，接头剪切强度达到123.7mpa，而真空加压钎焊方法所得到的剪切强度约为94.3mpa。
实施例3
步骤1，在al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-15sic钎料中机械添加sic颗粒，sic的体积分数为10％；
步骤2，将sic体积分数为70％的sicp/al复合材料待焊表面用砂纸打磨至出现黑色sic颗粒，之后放入丙酮中超声清洗5min，水洗然后在酒精中超声清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al复合材料、钎料、al/ni纳米多层膜、钎料、sicp/al复合材料的顺序放好，形成三明治装配，al/ni纳米多层膜的厚度为60μm，钎料层的厚度为25μm，对摆放好顺序的试样预加压力为100mpa，然后用18v的电火花点燃，发生自蔓延反应，反应在瞬间完成，实现材料的连接，待冷却到室温后，撤去压力。试验结果表明：钎缝与母材连接紧密，焊接接头未出现气孔、孔洞、未焊合等缺陷，接头剪切强度达到125.4mpa，而真空加压钎焊方法所得到的剪切强度约为89.4mpa。
实施例4
步骤1，在al-9.8si-1.7mg-0.02cu-0.02zn-15sic钎料中机械添加sic颗粒，sic体积分数为10％；
步骤2，将sic体积分数为70％的sicp/al复合材料待焊表面用砂纸打磨至出现黑色sic颗粒，之后放入丙酮中超声清洗5min，水洗然后在酒精中超声清洗5min，取出后用棉花擦干，最后按照sicp/al复合材料、钎料、al/ni纳米多层膜、钎料、sicp/al复合材料的顺序放好，形成三明治装配，al/ni纳米多层膜的厚度为60μm，钎料层的厚度为25μm，对摆放好顺序的试样预加压力为150mpa，然后用18v的电火花点燃，发生自蔓延反应，反应在瞬间完成，实现材料的连接，待冷却到室温后，撤去压力。试验结果表明：钎缝与母材连接紧密，焊接接头未出现气孔、孔洞、未焊合等缺陷，接头剪切强度达到124.3mpa，而真空加压钎焊方法所得到的剪切强度约为90mpa。