2003-异种材料TLP扩散连接过程的非对称性
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［@!］ 位置，可以获得铝合金与液相的界面 @ 的迁移 为
!）等温凝固阶段 液相和固相中 94 元素成分 梯度的存在促使 94 原子继续向母材扩散，当 94 浓 度小于固相线浓度时，开始等温凝固，使得液 : 固 界面向液相中推进，如图 ! （ -） 所示，由于 94 元素 在复合材料中的扩散速度大于在铝合金中的扩散速 度，因此导致复合材料一侧的液 : 固界面迁移速度 较大。当液相完全消失时，等温凝固阶段结束，如 所示。由于复合材料一侧液相的凝固速度大 图（ ! 1） 于铝合金一侧的，因此当该阶段结束时，形成的连 接界面向铝合金偏移。 ;）接头均匀化阶段 在本研究中，等温凝固 结束后，连接过程已经基本完成，可能还没有发生 接头的均匀化。 从上述分析可以看出，连接界面向铝合金一侧 的偏移量是由中间层熔化、液相均匀化和等温凝固 ! 个阶段共同造成的，其主要原因在于复合材料中 #$ 元素含量较少，导致液相产生和扩大阶段液相中 万方数据 心线向铝合金一侧偏移；而 94 元素在复合材料中
上述分析表明，%. 元素向铝合金的扩散能力 远远低于向复合材料的扩散能力，从而也能够解释 连接界面向铝合金一侧偏移的现象。
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异种材料 ()* 扩散连接机理
连接过程的非对称性
从 #$% 颗粒增强铝基复合材料与 :?:; 铝合金 的 @AB 扩散连接接头的微观组织和元素成分分布可 以看出，异种材料的 @AB 扩散连接过程存在着明显 的不对称现象。 图 = 示出了 #$% 颗粒增强铝基复合材料与 :?:; 铝合金 @AB 扩散连接过程的非对称性。为了便于理
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异种材料 %&’ 连接过程的非对称性
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异材 %&’ 连接等温凝固阶段示意图
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的） 。 E）中间层熔化阶段 @AB 连接开始时，母材和 中间层都呈固态，如图 （ 所示。当温度超过共晶 = 1） 温度，达到连接温度之后，接触界面处发生溶解现 象，由于铝合金中 !" 元素含量较复合材料中的含 量高，所以铝合金与中间层 %. 箔之间产生的液相 较多，即铝合金母材熔化量较大，如图 = （ 5） 所示， 当中间层材料完全溶解时 （如图 （ 所示） ，由于铝 = )） 合金与复合材料的熔化量不同，导致原始中心线向 铝合金一侧偏移。 D）液相均匀化阶段 由于液相中溶质原子 %. 的浓度高于母材，因而促使液相中 %. 原子向固 ’ 液 边界扩散，铝合金材料中 !" 元素继续溶解，使得液 相中溶质原子平均浓度不断降低，当液相与熔化边
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中国有色金属学报
DCC! 年 ; 月
缘的固相成分达到平衡时，液相层达到了最大宽 所示。和第一阶段相似的是，铝合金 度，如图 （ ! "） 的熔化量要大于复合材料的熔化量，这主要是由于 复合材料中 #$ 元素含量相对较低，因此形成的液 相较少，所以最终导致在该阶段结束时，液相中心 线继续向铝合金偏移。
曲文卿，庄鸿寿，张彦华
（北京航空航天大学 机械工程学院，北京 !)))1"）
摘
要：通过对 234 颗粒增强 +& 基复合材料与 +& 合金的 567 扩散连接试验，对异种材料 567 扩散连接过程存在
的非对称性进行了深入的研究，并对异种材料 567 扩散连接过程的等温凝固动力学进行了数学建模，且结合接头 区域的成分分布进行了验证。研究表明：234 颗粒增强铝基复合材料与铝合金连接接头区域连接界面向铝合金一 侧偏移，接头区域溶质原子成分分布非常不均匀；由于溶质原子扩散速度以及中间层和母材冶金反应的不同，导 致异种材料 567 扩散连接过程存在明显的非对称性。所建的等温凝固动力学模型能够用来解释异种材料 567 扩散 连接过程，对于异种材料连接具有重要的理论意义。
文献标识码：+
表4
234 颗粒增强铝基复合材料的室温拉伸性能
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下，通过母材与中间层的冶金反应产生液相，等温 凝固后形成接头，具有温度低、压力小以及不需要 严格的表面加工等特点，因而在耐热合金、异种材
［# !!］ 料和复合材料的连接中得到了广泛的应用 。
用酒精擦洗，清除掉表面油污、残屑等杂质。567 扩散连接实验结束后，对接头进行力学性能测试及 微观组织观察。
第 !" 卷第 # 期 $%& ’ !" (%’ #
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异种材料 !23 扩散连接过程的非对称性 !
" "!@ A # <@ $ % ，! ） !（ !< ・ B "! （$ "& "< !& A $ !<） !% "B 初始条件和边界条件为 （ ! B C） "!@ BC （ $ % ，! B C） B $C （ $ % B A "!@ ，! E C） B$ "< （ $ % " F ，! ） B $C 浓度分布为 % ） #; # <@ ! 由初始条件和边界条件可得： （ ・ （ $ % ，! ） B &@ J &D -/1 $C B &@ J &D ・ （ $ -/1 "< B & @ J & D A "!@ ）
的扩散速度较大，导致液相凝固时形成的连接界面 继续向铝合金一侧发生偏移，从而产生了 <)9 颗粒 增强铝基复合材料与铝合金 %&’ 扩散连接过程的非 对称性。 !=& 异种材料 %&’ 扩散连接非对称模型
异种材料等温凝固过程中 ! 时刻的情况如图 ; 所示。在两个液 : 固界面上建立两个坐标系，坐标 系原点分别为界面两侧母材与液相等温凝固开始时 的原始界面，坐标系正方向都选择为溶质原子扩散 的方向。图中 # 为铝合金，> 为复合材料。
作者通过 234 颗粒增强铝基复合材料与铝合金 的 567 扩散连接试验，分析了接头的微观组织和溶 质原子浓度分布情况，重点研究了异种材料 567 扩 散连接过程的不对称性和等温凝固动力学机理，对 于异种材料的 567 扩散连接具有重要的实际工程意 义。
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分析与讨论
接头微观组织分析
图 ! 给出了 0)0. 铝合金与 234 颗粒增强 +& 基 复合材料的 567 扩散连接接头的微观组织 （工艺参 数：连接温度 0.0 N ，时间 " A） 。从图中可以看出， 复合材料和 +& 合金已经完美地结合到一起，看不 到中间层 4? 的存在，这说明中间层已经完全扩散 到连接界面两侧母材中，从而形成了效果良好的连 接。力学性能测试结果表明，234 颗粒增强 +& 基复 合材料与 0)0. 铝合金的 567 扩散连接接头的平均 剪切强度达到了 ." L7:。 其次，应用扫描电镜观察接头微观组织，发现 接头区域的连接界面
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实验
实验材料组合分别为 234 颗粒增强 +& 基复合 材料 （ 234, B +&） 与 0)0. 铝合金，表 ! 给出了复合材 料的室温性能。 中间层为铜箔，厚度为 ") ! C；试件尺寸为 ## CC D /) CC D ! CC。试件连接采用搭接方式。 连接之前，首先用钢丝刷打磨掉氧化层，然后
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根据 H)8I 扩散定律可知，溶质原子在固相中的 （K）
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第 !% 卷第 " 期
曲文卿，等：异种材料 >5? 扩散连接过程的非对称性
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由于 ! ! 和 ! " ，" # 和 " !$均为常数，因此误差函 数的解肯定也是常数。由此可以得到 #%! & " $%!!% $! & 式中 （’） （ + ’） $ %! 为无量纲的扩展常数，并且由于 ()* （ ’） ，因此式 （,） 可以写为 & + ()* ・ （ （!#） " !$ & ! ! + ! " ()* $ %! ） 将式 （-） 和 （!#） 相减可以得到 "# + " !$ （!!） （ $ %!） ! . ()* 进行微分获得液 / 固界面的迁移速度： 对式 （’） !" & 0 #%! % $! ・ （!"） & $%! 0& & 通过微分式 （’） 获得的浓度梯度关于 ( 的通用 表达式为
