专利名称：一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料与金属的方法。
背景技术：
铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐磨性，优异的耐高温性能和低的热膨胀系数，良好的导电、导热性、抗疲劳性，以及在潮湿或辐射环境下良好的尺寸稳定性等优点，是一种理想的轻质高强材料。碳纤维增强铝基复合材料密度小于铝合金， 模量却比铝合金高2 4倍，在250°C时其抗拉强度仍能保持室温抗拉强度的81%，其疲劳强度比铝合金高38%。制成的构件具有质量轻、刚性好、较小的壁厚、较高的稳定性，可大大提高设备容量和装载能力。用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系数低、导热性好，可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面天线的增益效率提高4倍。DWA公司用石墨纤维增强铝基复合材料为NASA和Lockheed公司制造卫星上的波导管。用这种材料制成的波导管不但轴向刚度高、膨胀系数低、导电性能好，而且比原用石墨/环氧一铝层复合制成的波导管轻30%。随着C/A1复合材料工程化应用进展的加快，材料自身及与其它材料之间的连接问题已变得越来越重要。纤维增强金属基复合材料由基体金属及增强纤维组成，焊接这种复合材料的难点在于，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。碳在固态和液态铝中的溶解度都不大，固溶度为O. 015% ;而在800°C、1000°C、1100。。和1200°C时的溶解度分别为O. 1%,0. 14%、016%和O. 32%.在室温到1670°C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。两者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°C 500°C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，严重恶化母材的性能。目前，对于纤维增强铝基复合材料的连接主要集中在电弧焊、钎焊以及扩散焊等方法的研究，然而电弧焊由于熔池温度较高、加热面积较大，会导致增强相与基体发生严重的界面反应；扩散焊由于连接温度高、加热时间长，也同样会导致界面反应的大面积发生；钎焊中的软钎焊虽然可以实现纤维增强铝基复合材料的连接，但软钎料焊接的接头非常脆，冷却过程中就可能发生断裂。本发明提出一种可以实现碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接方法，连接质量较高，使碳纤维增强铝基复合材料与金属间达到很好的冶金结合，同时也不会恶化母材的性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统焊接方法整体加热温度高，导致增强相碳纤维与铝之间发生严重的界面反应，恶化母材性能的问题，而提供一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法。本发明的一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按以下步骤进行的一、按重量份数将5Γ58份的铝粉、8 10份的镍粉和33 37份的氧化铜粉混合均匀，置于球磨罐内，按球料质量比为5:1的比例放入磨球,在IS气保护的条件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；二、将步骤一获得的混合粉末压制成相对密度为609Γ80%且厚度为f 3_的中间层压坯，密封保存；三、将步骤二获得的中间层压坯置于碳纤维增强铝基复合材料与金属之间装配成“三明治”式装配件，然后将装配件夹好放到真空炉内，在压力为5MPa的条件下，加热至500°C，并保温ClOmin，然后随炉冷却至室温，即完成碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接。本发明的优点一、本发明利用传统的铝热放映原理，制备了 Al-Ni-CuO粉末放热中间层，在500°C即可实现碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接，同时不会恶化复合材料的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。二、利用本发明的中间层进行碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接，中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，连接质量好，接头强度可达50. 7MPa。本发明提供了一种连接质量较好的、可以实现碳纤维增强铝基复合材料与金属连接的方法，同时不会恶化母材的性能。本发明中采用自制的粉末中间层，由Ni粉、Al粉、CuO粉按一定的重量配比组成，压制成f 2_厚的圆柱体，放置在C/A1复合材料与金属之间，装配成“三明治”式结构，放入真空炉中加热，同时施加一定的压力，加热到一定的温度，并保温一段时间，实现连接二者的连接。本发明利用自制的粉末中间层中的Al粉与Ni、CuO粉反应放出大量的热，使中间层中的铝熔化，并局部熔化与中间层接触的C/A1复合材料与金属，使二者发生冶金结合，实现连接。传统的连接方法，由于整体的加热温度均要达到铝的熔点，因此不可避免破坏了CfZkl符合材料的综合性能。而本发明则利用了 Al与CuO在较低的温度下(500°C的条件即可反应)，并伴随产生大量的热量，同时Al与Ni在较低的温度下(600°C左右)也会反生反应，并放出大量的热量，与两侧母材很好的连接，采用这种自行配置的粉末，很好的降低了整体炉中加热温度，达到很好的连接效果。而在500°C左右，C与Al的界面反应较微弱，不会影响C/A1复合材料的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。
图I为连接碳纤维增强铝基复合材料与TiAl的焊缝宏观形貌图；其中，图中左侧为碳纤维增强铝基复合材料，中间为反应后的中间层，右侧为TiAl合金；图2为碳纤维增强铝基复合材料与TiAl合金装配示意图；其中，I为碳纤维增强铝基复合材料，2为中间层压坯，3为TiAl合金；图3为碳纤维增强铝基复合材料与TiAl合金连接后的剪切强度测试试验示意图；其中，I为碳纤维增强铝基复合材料，2为中间层，3为TiAl合金，4为卡具。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式的一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法、是按以下步骤进行的一、按重量份数将5Γ58份的铝粉、8 10份的镍粉和33 37份的氧化铜粉混合均匀，置于球磨罐内，按球料质量比为5:1的比例放入磨球，在氩气保护的条件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；二、将步骤一获得的混合粉末压制成相对密度为609Γ80%且厚度为f3mm的中间层压坯，密封保存；三、将步骤二获得的中间层压坯置于碳纤维增强铝基复合材料与金属之间装配成“三明治”式装配件，然后将装配件夹好放到真空炉内，在压力为5MPa的条件下，加热至500°C，并保温5 10min，然后随炉冷却至室温，即完成碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接。本实施方式的优点一、本实施方式利用传统的铝热放映原理，制备了 Al-Ni-CuO粉末放热中间层，在500°C即可实现碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接，同时不会恶化复合材料的性能，很好的保持了母材的各种优良特性。二、利用本实施方式的中间层进行碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接，中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，连接质量好，接头强度可达50. 7MPa。本实施方式提供了一种连接质量较好的、可以实现碳纤维增强铝基复合材料与金属连接的方法，同时不会恶化母材的性能。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一所述的铝粉为325 1000目，镍粉为325 1000目，氧化铜粉为325 1000目。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一至二不同的是步骤二所述的相对密度是在20°C测得的相对密度。其它与具体实施方式
一至二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤三所述的金属为TiAl合金。其它与具体实施方式
一至三之一相同。通过以下试验验证本发明的效果
本试验的一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按以下步骤进行的一、称取5. 6g的铝粉、O. 9g的镍粉和3. 5g的氧化铜粉混合均匀，置于球磨罐内，按球料质量比为5:1比例放入磨球,在IS气保护的条件下，以300r/min速度球磨2. 5h,得到混合粉末；二、将步骤一获得的混合粉末压制成相对密度为70%且厚度为Imm的中间层，然后密封保存；三、将步骤二获得的中间层置于碳纤维增强铝基复合材料(购买自哈工大材料学院特种材料研究所)与TiAl合金之间装配成“三明治”式装配件(示意图如图2所示)，然后将装配件夹好放到真空炉内，在压力为5MPa的条件下，加热至500°C，并保温lOmin，然后随炉冷却至室温，即完成碳纤维增强铝基复合材料与TiAl合金的连接。本试验的碳纤维增强铝基复合材料为Cf/Al复合材料，购买自哈工大材料学院特种材料研究所。本试验的相对密度是指中间层压坯的相对密度，是在20°C下测得的。对本试验连接后的材料在扫描电子显微镜下进行背散射观察，结果如图I所示，由图I可知，中间层与两侧母材达到很好的冶金结合，没有明显的缺陷生成，形成了完整的接头。对接头进行剪切强度测试，测试试验示意图如图3所示，接头的抗剪强度可到30. 07MPa,达到母材强度额61. 4%。
权利要求
1.一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法是按以下步骤进行的一、按重量份数将5Γ58份的铝粉、8 10份的镍粉和33 37份的氧化铜粉混合均匀，置于球磨罐内，按球料质量比为5:1的比例放入磨球，在氩气保护的条件下，以30(T500r/min的速度球磨2 3h，得到混合粉末；ニ、将步骤一获得的混合粉末压制成相对密度为60°/Γ80%且厚度为f3mm的中间层压坯，密封保存；三、将步骤ニ获得的中间层压坯置于碳纤维增强铝基复合材料与金属之间装配成“三明治”式装配件，然后将装配件夹好放到真空炉内，在压カ为5MPa的条件下，加热至500°C，并保温5 10min，然后随炉冷却至室温，即完成碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接。
2.根据权利要求I所述的ー种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一所述的铝粉为325 1000目，镍粉为325 1000目，氧化铜粉为325 1000目。
3.根据权利要求I所述的ー种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤ニ所述的相对密度是在20°C测得的相对密度。
4.根据权利要求I所述的ー种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤三所述的金属为TiAl合金。
全文摘要
一种连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，它涉及一种复合材料与金属的方法。本发明要解决传统焊接方法整体加热温度高，导致增强相碳纤维与铝之间发生严重的界面反应，恶化母材性能的问题。方法为一、称取铝粉、和氧化铜粉混合，球磨后，得到混合粉末；二、将混合粉末制成相对密度为60%~80%且厚度为1~3mm的中间层，密封保存；三、将中间层置于碳纤维增强铝基复合材料与金属之间装配成“三明治”，在压力为5MPa的条件下，加热至500℃，并保温5~10min，随炉冷却至室温。本发明在500℃即可实现碳纤维增强铝基复合材料与金属的连接，接头强度可达50.7MPa。本发明应用于铝基复合材料与金属连接领域。
文档编号B22F7/04GK102658368SQ201210185530
公开日2012年9月12日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者刘政平, 刘羽, 利肇鹤, 张相龙, 徐晓龙, 李卓然 申请人:哈尔滨工业大学