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1、Transient liquid phase diffusion bonding of 6061-15wt%SiCp in argon environmentJ. Maitya, T.K. Pal b, R. Maitica Department of Metallurgical and Materials Engineering, National Institute of Technology, Durgapur,Durgapur 713209, West Bengal, Indiab Welding Technology Center, Department of Metallurgic
2、al and Material Engineering, Jadavpur University,Kolkata 700032, West Bengal, Indiac Central Research Facility, Indian Institute of Technology, Kharagpur 721302, West Bengal, IndiaAbstractExtruded 6061-15wt% SiCp composite was joined by transient liquid phase diffusion (TLPD) bonding process in argo
3、n environment using 50-_mthick copper foil interlayer. The bonding was carried out at 560 C with two different applied pressures (0.1 and 0.2MPa) and five different holding times (20 min, 1, 2, 3 and 6 h). Kinetics of the bonding process was significantly accelerated in the presence of reinforcement
4、 (SiC). This acceleration is attributed to the increased solute diffusivity through defect-rich SiC particle/matrix interface and porosity. Adequate bond strength (90% of the original composite strength)was achieved for bonding at 0.2MPa pressure with 6h of holding. This is very close to the reporte
5、d highest bond strength achieved (92% of the original composite strength) for joining aluminium-based metal matrix composite by TLPD process in vacuum followed by isostatic pressing. The rejection of oxide at periphery on completion of isothermal solidification, and elimination of void at bond inter
6、face through solid state diffusion at higher pressure (0.2MPa) were the main reasons of achieving high bond strength.Keywords: Transient liquid phase diffusion;Bonding;6061-SiCp composite; Particle segregation; Isothermal solidification; Oxidation ;Bond strength氩气氛围中6061-15%（wt）SiCp的瞬时液相扩散连接J.Maitya
7、,*，T.K.Palb,R.Maitica 印度，西孟加拉邦，杜尔加布尔713209研究所，冶金与材料工程技术系；b印度，西孟加拉邦，加尔各答700032研究所，贾普达大学，冶金与材料工程系，焊接技术中心；c 印度，西孟加拉邦，克勒格布尔721302研究所，印度理工学院，核心研究机构；摘要：在氩气氛围中通过液相扩散连接项目，用50um厚的铜箔层挤压6061-15wt%SiCp复合材料使他们结合。在560，两种不同压力（0.1和0.2MPa）和五种不同保温时间（20min，1， 2，3 和6小时）下实施这次连接。增强相（SiC）的存在显著加快连接工艺的动力学问题。加速的原因在于SiC颗粒/基体界
8、面的大量缺陷和气孔导致溶质的扩散加快。在0.2MPa，保温时间为6h情况下达到了充足的粘结强度（原始复合强度的90%）。这是非常接近于所报道过的,在真空等静压状态下依靠TLPD过程实现铝基金属基复合材料的连接获得的最高粘结强度（原始复合强度的92%）。隔绝氧化，在外围形成等温凝固，并且消除无效的粘合界面，在更高的压力下（0.2MPa）下通过固态扩散，是能够获得高连结强度的主要原因。关键字：瞬时液相扩散连接 6061-SiCp复合材料 颗粒分离 等温凝固 氧化 粘结强度1引文 广泛应用在工业上的铝基金属基复合材料的主要问题在于连接困难（Ellis,1997）。机械连接（螺栓或者铆接），熔焊和固态
9、扩散连接铝基复合材料都存在着一些困难，例如（机械连接）增强体的损伤；形成脆性相（Al4C3),（熔焊）热影响区产生裂纹；（固态扩散连接）在高应力下的过度塑性变形(Bushby and Scott, 1995; Devletian,1987; Field, 1989; Gittos and Threadgill, 1991; Hall and Manrique, 1995; Luhman et al., 1983; Shirzadi and Wallach,1997)。对于瞬时液相扩散连接，会有一个“中间层”（通常是一种纯金属），可以形成低熔点混合物（如共晶），比固态扩散连接有较低的连接温度，更
10、低的焊接压力和更少的表面光洁度需求的优点。然而，TLPD焊接过程的完成需要一段很长的时间，主要是因为其中的等温凝固阶段(Natsume et al., 2003)。这种技术的商业应用需要有足够的粘结强度，在了解微观结构变化和过程动力学后再开发。虽然已经对不同的单相金属和合金的TLPD连接过程的进行研究调查，但是对AlMMC的TLPD粘接报告是有限的。在单相铝系合金的TLPD粘接中用不同的中间层材料，利用铜中间层已被证明是能够成功的连接常规的铝合金，并且粘结强度比得上已被报道过的母体材料(Dray, 1985)。再次，关于AlMMC的TLPD连接出版的文献主要涉及使用不同厚度的铜夹层研究连接情况
11、的发展，以达到足够的连结强度。用10um厚的铜夹层，在550空气环境中，研究的SiC纤维增强AlMMC的TLPD连接，已经由Bushby和Scott（1993），报道过，较高的连接压力（20MPa）是必要的，以抑制铜的氧化使粘合区的面积最大达到80%。另一方面，Shirzadi和Wallach（1997）在560，0.1-0.2MPa，真空下20min的连接7um厚的铜夹层然后进行真空等静压，用来连接AlMMC所获得的连接强度达到母材强度的92。在其他的研究调查中，Huang et al(2007)用混合粉末夹层（AlSiSiCTi），通过TLPD过程，在真空中，在595，0.003MPa，9
12、0分钟的接合时间连接6063SiCp复合材料，得到50MPa的粘结强度。然而，在氩气氛围中，68MPa的粘结强度是由本文作者之一(Pal, 2005)为连接挤压6061-15wtSiCp，用铜粉层在560，2 MPa，20分钟的接合时间的条件下实现的。在大多数使用铜夹层TLPD接合的这些研究,粘接温度保持在550-560，这是稍微高于Al-Cu系（548）的共晶温度及低于AlMMC的固相线温度。然而，不同条件下的粘结使用不同的压力，在空气环境TLPD连接，需求非常高的应力（20MPa），为了实现在粘结界面金属与金属的接触(Bushby and Scott, 1993)（高压引起AlMMC的过度
13、塑性变形，这是不理想的。因此，常规TLPD连接是在较低的压力（0.10.2MPa），是在真空或惰性环境下进行的，以达到足够的粘结强度而不产生塑性变形。同样，对于在真空低压常规TLPD连接，具有较低连接时间（20分钟），结合界面的空隙的存在已经被Shirzadi and Wallach (1997)确定。这些空隙一定程度上降低粘合强度。较低的保温时间（20分钟）低压连结，然后等静压，以达到很高的粘结强度。然而，具有较高的接合时间（比方说，6h）的低压TLPD连接尚未AlMMC研究。此外，在AlMMC的TLPD连接所有这些研究，在粘结微观结构和工艺的不同阶段之间进行比较，没有明确的相关性。另外，连
14、接时间保持在较低水平（最高2h），与等温凝固的完成或者是接合区域的同质化没有任何相关性，以及使用单片系统制作的过程动力学没有比较性。本次研究的目的是发展足够的粘结强度挤压6061-15wtSiC颗粒复合，在氩气氛围中依靠TLPD过程，关于过程机制和微观评价，对于不同的接合时间，长达6小时。表-1 6061铝合金的化学成分（wt%）Mg1.0Si0.6Cu0.3Cr0.2AlRest2材料和方法2.1材料标准的AlMMC挤压杆材料的组成是6061合金基质和含有15wt（12.93vol）的平均尺寸为23um的增强碳化硅（SiC）微粒，6061合金（Anon.，1990）的组成成分列于表1中。此外
15、，它含有一些铁（0.6wt）作为杂质，已被化学分析中的光学发射光谱仪证实（UNISPEC：4L/0096）。作为接收的AlMMC的密度也是由排水法测定。2.2连接的试样制备机械加工挤压杆，以产生直径15mm和高度10mm的光盘。其结果是盘的搭接面成为垂直于挤压方向。并且对光盘的搭接面进行抛光，以达到1um的光洁度。50um厚的纯铜（质量分数为99.97%）箔被用作中间层，用于连接的夹层打一个直径为15mm的孔。夹层和抛光搭接面最终在丙酮中漂洗和在刚接合之前由热空气鼓风干燥。图-1 试样装载夹具：剪切强度（粘结强度）测定的布置2.3TLPD 连接夹层置于两个AlMMC盘的抛光接合面之间。然后此组
16、件由胶带连接，然后插入扩散接合单元。在一个可编程的电炉中执行连接过程，以保持连接的中心线是水平的。在每对圆盘中的一个钻孔插入热电偶来监测连接温度。以速率5升/分钟通入氩气（99.99的Ar，35ppm的O2，3ppm的H2O，H2为2ppm，1ppm的CO2，1ppm的CO） 到接合腔室中，保持惰性气氛。连接温度保持在560，这是高于Al-Cu系（Anon.，1992）的共晶温度（548）和低于6061基质合金（Anon.，1990）的固相线温度（582）。将试样以速率为6/min加热到连接温度（560）。在该温度下保持5种不同时段（接合时间），即20分钟，1，2，3和6小时，并在炉内部以5/ min的速率冷却至540，然后将试样从炉中取出并在空气中一直冷却于室温。分别用两种不同的压力0.1MPa和0.2MPa用于
