CN113275750B - 一种仿生高熵合金箔片、一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法 - Google Patents

一种仿生高熵合金箔片、一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种仿生高熵合金箔片、一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，属于复合材料焊接技术领域。本发明使用AlCoCrFeNi合金作为焊接中间层箔片成分，此合金具有优异的力学性能、良好的结构稳定性和耐腐蚀性能，其成分与B4CP/Al复合材料具有相似性，能够减少激光焊接过程中B4CP/Al材料间严重界面反应行为。本发明将箔片设计为蜂巢型中空结构，避免了连续的中间层对两侧母材的阻碍作用；仿生的蜂巢结构在焊接头截面会形成非均匀异质结构的显微组织，能够发挥蜂巢结构的稳定性与强韧性，从而提高焊接接头的强度和韧性，避免气孔的产生。

Description

一种仿生高熵合金箔片、一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料 的焊接方法
技术领域
本发明涉及复合材料焊接技术领域，特别涉及一种仿生高熵合金箔片、一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法。
背景技术
碳化硼颗粒增强铝基(B4CP/Al，P表示颗粒)复合材料，因其优异的比强度、比模量、热稳定性，成为目前应用最广泛的金属基复合材料之一。作为结构承力件的B4CP/Al复合材料在防辐射结构件上获得良好应用，相同结构性能下可减重40％，极大的节约了能耗、提高了运载能力。然而，在对B4CP/Al复合材料进行焊接时，由于B4CP/Al复合材料中B4C颗粒相与铝基体的物理性能存在极大差异，且B4C颗粒相与铝基体多为物理接触，界面稳定性较弱，焊接过程不可避免的改变B4C组成、分布及其与铝基体的接触方式，影响材料原有的强化效果。因此，B4CP/Al复合材料的优异性能与可焊性差之间的矛盾，使得B4CP/Al复合材料焊接技术成为研究难题。
激光焊接具有非接触、可焊接任意构件形式的特点，具有良好的工艺适用性，可用于B4CP/Al复合材料焊接。但是，直接对B4CP/Al复合材料进行激光焊接，复合材料界面稳定性较弱，且会生成较多的脆性相Al4C3，降低焊缝强度。
在激光焊接时，在待焊B4CP/Al复合材料间放入中间层合金，可以减少B4C颗粒相与铝基体的不相容性，提高界面稳定性。但是，现有的中间层合金多为铝基为代表的合金，成分单一，与B4CP/Al复合材料适应性差。且中间层会在对接焊中对两侧母材形成阻碍作用，与母材凝固界面处由于物化性能的不完全匹配形成薄弱区域，导致焊接接头的强度降低。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种仿生高熵合金箔片、一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法。本发明使用仿生高熵合金箔片作为碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接中间层，所得焊接接头具有高强度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种仿生高熵合金箔片，所述箔片具有“蜂巢”型中空六边形结构；所述箔片的化学组成为AlCoCrFeNi合金。
优选的，所述AlCoCrFeNi合金中Al、Co、Cr、Fe和Ni元素的摩尔比为0.3～0.5:1:1:1:1。
优选的，所述箔片的厚度为0.1～0.2mm。
优选的，所述六边形结构的单个六边形的边长为1～5mm。
本发明提供了上述仿生高熵合金箔片的制备方法，包括以下步骤：
对AlCoCrFeNi高熵合金箔片进行线切割，切割出“蜂巢”型中空六边形结构，得到仿生高熵合金箔片。
本发明提供了上述仿生高熵合金箔片作为碳化硼颗粒增强铝基复合材料焊接中间层的应用。
本发明提供了一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
将权利要求1～4任意一项所述仿生高熵合金箔片或权利要求5所述制备方法制备得到的仿生高熵合金箔片置于待焊碳化硼颗粒增强铝基复合材料之间，在保护气体保护下，进行激光焊接。
优选的，所述碳化硼颗粒增强铝基复合材料中碳化硼颗粒的体积含量为5～25％。
优选的，所述激光焊接的激光波长为1.06μm，光斑尺寸为0.5mm；所述激光焊接的功率为3000～10000W，焊接速度为30～143mm/s，功率密度为60～110J/mm。
优选的，所述保护气体为氩气，所述保护气体的流量为5～25L/min。
本发明提供了一种仿生高熵合金箔片，所述箔片具有“蜂巢”型中空六边形结构；所述箔片的化学组成为AlCoCrFeNi合金。本发明使用AlCoCrFeNi合金作为焊接中间层箔片，AlCoCrFeNi合金为高熵合金，具有优异的力学性能、良好的结构稳定性和耐腐蚀性能，其组成成分与B4CP/Al复合材料具有相似性，其合金元素的Cr、Fe能够与C生成(Cr,Fe)23C6和(Cr,Fe)6C，能够减少激光焊接过程中的B4CP/Al材料的界面反应行为，降低脆性相Al4C3的生成。在大自然中，蜂巢(蜂窝)是严格的六角柱形体，这有利于提高蜂巢强度，防止巢底破裂。本发明将箔片设计为蜂巢型中空六边形结构，避免了连续的中间层对两侧母材的阻碍作用；仿生的蜂巢结构在焊接头截面会形成非均匀异质结构的显微组织，能够发挥蜂巢结构的稳定性与强韧性，从而提高焊接接头的强度和韧性，且中空六边形结构有利于气泡的溢出，避免了焊接过程中气孔的产生。因此，本发明将AlCoCrFeNi高熵合金体系与蜂巢结构耦合，能够有效提高焊接接头强度。
进一步的，本发明的仿生高熵合金箔片具有蜂巢型中空结构，能够通过调节蜂巢间距密度来控制中间层箔片中的合金含量，能够在不改变中间层厚度的前提下来控制中间层含量，方便实现焊层与母材间的组织调控，也有利于提高焊接效率。
本发明提供了一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，本发明将仿生高熵合金箔片置于待焊碳化硼颗粒增强铝基复合材料之间，在保护气体保护下，进行激光焊接。在激光焊接的过程中，激光器发出的主光束均匀覆盖住高熵仿生中间层，在熔化仿生高熵合金箔片的同时均匀熔化两侧待焊母材，在激光束的作用下共同凝固形成原位合金化焊缝。此法操作简单，易于实现工业化批量生产。
附图说明
图1为仿生高熵合金箔片的结构示意图；
图2为激光焊接过程示意图，其中，1-激光器焊接探头，2-待焊B4CP/Al复合材料，3-仿生高熵合金箔片，4-保护气；
图3为激光光束在焊缝处的分布示意图，其中，1-激光器焊接探头，5-焊缝；
图4为实施例1与对比方案所得焊接接头的应力应变曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种仿生高熵合金箔片，所述箔片具有“蜂巢”型中空六边形结构；所述箔片的化学组成为AlCoCrFeNi合金。
在本发明中，所述AlCoCrFeNi合金中Al、Co、Cr、Fe和Ni元素的摩尔比优选为0.3～0.5:1:1:1:1，更优选为0.3～0.4:1:1:1:1。此AlCoCrFeNi合金具有单一面心立方结构，此结构为低层错能结构，具有连续应***化能力和优异的延性。
在本发明中，所述箔片的厚度优选为0.1～0.2mm，更优选为0.12～0.18mm，进一步优选为0.15～0.16mm。
在本发明中，所述六边形结构的单个六边形的边长优选为1～5mm，更优选为2～4mm。
本发明将箔片设计为蜂巢型中空结构，避免了连续的中间层对两侧母材的阻碍作用；仿生的蜂巢结构在焊接头截面会形成非均匀异质结构的显微组织，能够发挥蜂巢结构的稳定性与强韧性，从而提高焊接接头的强度和韧性，且避免了焊接过程中气孔的产生。
本发明的仿生高熵合金箔片具有蜂巢型中空结构，能够通过调节蜂巢间距密度来控制中间层箔片中的合金含量，能够在不改变中间层厚度的前提下来控制中间层金属含量，方便实现焊层与母材间的组织调控，也有利于提高焊接效率。具体来说，当需要较多含量的中间层合金进行焊接时，本发明可以减少单个六边形的边长、提高六边形的宽度的方式来提高中间层金属的含量，不用改变中间层的厚度。
本发明提供了上述仿生高熵合金箔片的制备方法，包括以下步骤：
对AlCoCrFeNi合金箔片进行线切割，得到仿生高熵合金箔片。
在本发明中，所述线切割优选为电火花线切割；本发明对所述电火花线切割的具体操作方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的电火花线切割方法即可。作为本发明的一个具体实施例，所述线切割的电压为70V，电流为0.8～1.8A。
本发明提供了上述仿生高熵合金箔片作为碳化硼颗粒增强铝基复合材料焊接中间层的应用。在本发明中，所述应用时，仿生高熵合金箔片蜂巢型中空结构的六边形截面与待焊碳化硼颗粒增强铝基复合材料表面接触。
本发明对所述碳化硼颗粒增强铝基复合材料的具体种类没有特殊的要求，本领域熟知的碳化硼颗粒增强铝基复合材料均能使用本发明提供的方法进行焊接。在本发明中，所述碳化硼颗粒增强铝基复合材料中碳化硼颗粒的体积含量优选为5～25％，更优选为10～15％。
本发明提供了一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
将上述仿生高熵合金箔片置于待焊碳化硼颗粒增强铝基复合材料之间，在保护气体保护下，进行激光焊接。
本发明优选使用激光器进行所述激光焊接。在本发明中，所述激光焊接的激光波长优选为1.06μm，光斑尺寸优选为0.5mm；所述激光焊接的功率优选为为3000～10000W，更优选为4000～5000W；焊接速度优选为30～143mm/s，更优选为50～100mm/s；功率密度优选为60～110J/mm，更优选为80～95J/mm。
在本发明中，所述保护气体优选为氩气，更优选为高纯氩气，纯度为99.99％；所述保护气体的流量优选为5～25L/min，更优选为15L/min。
在本发明中，在激光焊接的过程中，激光器发出的主光束均匀覆盖住高熵仿生中间层，在熔化仿生高熵合金箔片的同时均匀熔化两侧待焊母材，在激光束的作用下共同凝固形成原位合金化焊缝。
下面结合实施例对本发明提供的一种仿生高熵合金箔片、一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
对AlCoCrFeNi合金箔片进行线切割，得到具有蜂巢型中空结构的仿生高熵合金箔片。其中，AlCoCrFeNi合金中Al、Co、Cr、Fe和Ni元素的摩尔比为0.3:1:1:1:1，箔片厚度为0.1mm，蜂巢结构的单个六边形的边长为1mm。仿生高熵合金箔片的结构示意图如图1所示。
将上述仿生高熵合金箔片置于待焊B4CP/Al复合材料之间，复合材料中B4C的体积分数为10％。在15L/min高纯氩气保护下，进行激光焊接，其中激光焊接的激光波长为1.06μm，光斑尺寸为0.5mm；激光焊接的功率为4000W，焊接速度为40mm/s。
激光焊接过程示意图如图2所示，图2中，1-激光器焊接探头，2-待焊B4CP/Al复合材料，3-仿生高熵合金箔片，4-保护气。
激光光束在焊缝处的分布示意图如图3所示，图3中，1-激光器焊接探头，5-焊缝。
对焊接后接头的拉伸强度进行测试，所得应力-应变曲线如图4所示。
以未加入中间层直接进行激光焊接的焊接接头进行对比，母材和焊接方法与上文相同，所得焊接接头的拉伸强度测试结果见图4。
由图4可以看出，未加入中间层直接进行激光焊接的焊接接头的拉伸强度为51.2MPa，加入仿生高熵合金箔片进行激光焊接的焊接接头的拉伸强度为165.7MPa。本发明使用仿生高熵合金箔片作为碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接中间层，所得焊接接头具有高强度。
以厚度为0.1mm、不含有蜂巢型中空结构的AlCoCrFeNi合金(Al、Co、Cr、Fe和Ni元素的摩尔比为0.3:1:1:1:1)作为中间层，母材和焊接方法与上文相同，所得焊接接头的拉伸强度为94MPa。由此可以看出，本发明使用仿生高熵合金箔片作为碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接中间层，所得焊接接头具有高强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.仿生高熵合金箔片作为碳化硼颗粒增强铝基复合材料焊接中间层的应用，所述仿生高熵合金箔片具有“蜂巢”型中空六边形结构，所述箔片的化学组成为AlCoCrFeNi合金。
2.一种碳化硼颗粒增强铝基复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
将仿生高熵合金箔片置于待焊碳化硼颗粒增强铝基复合材料之间，在保护气体保护下，进行激光焊接；
所述仿生高熵合金箔片具有“蜂巢”型中空六边形结构，所述箔片的化学组成为AlCoCrFeNi合金。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述AlCoCrFeNi合金中Al、Co、Cr、Fe和Ni元素的摩尔比为0.3～0.5:1:1:1:1。
4.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述箔片的厚度为0.1～0.2mm。
5.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述六边形结构的单个六边形的边长为1～5mm。
6.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述仿生高熵合金箔片的制备方法，包括以下步骤：
对AlCoCrFeNi高熵合金箔片进行线切割，切割出“蜂巢”型中空六边形结构，得到仿生高熵合金箔片。
7.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述碳化硼颗粒增强铝基复合材料中碳化硼颗粒的体积含量为5～25％。
8.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述激光焊接的激光波长为1.06μm，光斑尺寸为0.5mm；所述激光焊接的功率为3000～10000W，焊接速度为30～143mm/s，功率密度为60～110J/mm。
9.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述保护气体为氩气，所述保护气体的流量为5～25L/min。
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