简析采用液相工艺获取的复合材料及其钎焊接头性能

　　研究提高复合材料及其焊接结构的机械性能、物理性能和耐蚀性能的方法可以大幅改善此类材料的综合运用性能。分析表明，用粉末浸渗法或多孔骨架材料的熔融法制成的复合材料，其形成的焊接区的许多物理化学规律各不相同。有关文献除了记载了化学成分的作用外，还分析了5种有前景的提高接头物理一化学性能和机械性能的方法:
　　一毛细间隙的最佳化和使固相原子在细小的毛细隙中实现反常的溶解机制;
　　一消除焊缝圆角部位的化学非均质性;
　　一用具有较高弹性模量的金属元素对接头材料的表面层进行合金化处理;
　　一在焊缝中使用合成钎料，在分散过程中形成复合结构;
　　一在激光钎焊中获得粘合结构以及形成焊缝的最佳组织。
　　除此之外，第六种调控微隙中金属的物理一化学和机械性能的方法是:发挥材料自身组织的作用，利用在固态下具有最佳原始组织的材料，以便在熔化后的微隙中形成更加均匀的组织。这种效果与材料本身的加工工艺(如铸造、锻造、热处理、混合粉料、非晶型材料等)有关。
　　对于钎焊，接头形成时的主要运动阶段可作为其特征:
　　通过熔化使毛细微隙得到润湿、流展和充填;
　　对运动中的相间边界进行质量转换;在移动的相间发生传质过程(熔融物溶解，其原子向固相扩散)。
　　在偏析过程中进行结晶时，发生化学成分的变化。
　　在使用液相反应的工艺中，复合材料的制备方法及工艺过程的进行速度如同钎焊一样决定着产品的综合性能。钎焊接头的许多性能，如抗拉强度、疲劳强度和耐腐蚀性等，在其它条件相同的情况下取决于微隙的大小，其组织、圆角的尺寸和形状及化学不均匀性在此处的发展速度。因此，决定接头性能的一般因素有:毛细间隙的大小和是否消除焊缝圆角部位的化学不均匀性。这些因素对钎焊以及对用粉末浸渗法和球状颗粒熔化法获取的复合材料的影响都将予以研究。
　　在对所制备的复合材料的强化粉料的工艺特性进行模拟和分析时，最好使用球状粉料。这对于用同一尺寸的球状颗粒(浸渗时在压型中可以有最紧密的颗粒排列)的浸渗法制备复合材料而言，具有独创的现实意义，因为在此情况下，可以获得最佳的由强化颗粒组成的单一组织。这些强化颗粒形成了可变截面通道(沟道里填满了熔化的基体材料)的规律系统。因颗粒排列形式和颗粒半径的不同，在熔化物质充满沟道之前，最大和最小空隙的尺寸是会变化的。
　　若根据现有的球形物体排列模型来研究充填排列的参数，排列形式可以分为最不紧密的充填排列(正立方，V二900)和最紧密的充填排列(六边形，v二600)。此类物质的空隙度II，与颗粒尺寸没有关系，而与排列方式，即与v角有关在正立方排列下，IIv =47. 64%，而在六边形排列下，Ilv = 25. 95 %。在前一种情况下，连接相邻气孔的最窄通路的半径:，即4个相邻颗粒之间的内接圆半径，等于0.41R(R一球形颗粒的半径)。而在最宽部位处的气孔半径等于0. 73R。在六边形排列下，每一颗粒与12个相邻的颗粒相接。气孔具有2种形状，即四面体形状和菱形体形状，后者的气孔数量要比前者的数量多一倍。四面体气孔最宽通路处的半径为0. 288 R，而菱形体的气孔通路半径为0. 414R。四面体气孔占总体积的比例为7. 37%，而菱形体的气孔则占18. 58% o毛细间隙的最佳数值和固相原子在焊缝中反常溶解机理的实现。
　　间隙对焊缝的化学成分影响的研究结果表明，随着间隙的增大，焊缝中固相原子质量浓度会发生非正常的增加。并且由于系统的不同，过饱和度可达到14%a -30%(在小间隙中溶解度的反常效应)不等。然而，随着间隙的减小(从100到1w)，就不再存在改变溶解度平衡的热力学因素。因此，反常的溶解度效应只可能是由动力学因素造成的。
　　非均衡结晶方向动力学的模拟表明，提高间隙中固相成分含量的前提是提高结晶锋面上的易熔组份再分配的动力学特性。与相间界面相反，根据相界对面的温度梯度进行的结晶锋面的移动会导致间隙中同相结晶内的难熔组份的富集以及相应的在液相熔融物中易熔组份的增加。第二相间界面(其残缺的表面层对于偏析的易熔组分来说是有效的流失)的出现，以及由于集中过冷度的原因，结晶前进面的前行速度的下降会导致在已结晶间隙中的固态相的质量浓度进一步增加。显然，间隙中易熔组分质量浓度的下降以及偏析过程受到的抑制能够确保机械性能和耐腐蚀性能的提高。
　　根据设计的模型可以看出，为强化异常溶解过程就必须降低结晶速度和增加相间表层的扩散渗透能力。其中必须指出，随着间隙的减小，残缺层(这对偏析元素的原子来说是流失)就会增加。显然，随着间隙的减小，如下因素会影响到强度的增加:相间界面(接触强化效应)的弹性应力水平，在焊缝和圆角处不存在偏析区以及焊缝中难熔元素的质量浓度过高。根据显微组织可以发现，由球形颗粒形成的复合材料球粒之间，会有从0到s的小间隙区域以及间隙变化区域。因此，在小间隙的区域里能保证实现高机械性能和耐腐蚀性能的整个过程。在这个具有大量液体的区域里，会不可避免地发生偏析过程。这是钎焊接头的圆角部位所独有的特性。在现实的工艺过程中，这些现象的产生不会受到结晶速度的影响。因此，研究热处理过程中变化断面的大间隙里粗大组织结构的调质问题是有必要的。
　　在焊缝的圆角部位消除化学成分不均匀性
　　在圆角部位出现化学不均匀性(由于偏析过程所造成)将导致机械性能和耐腐蚀性能的剧烈下降。特别是在疲劳载荷下，情况更是如此。沿晶粒边界存在的分隔开的化合物和夹杂物会在循环载荷作用下发生过早的损坏。在试验的开始阶段，裂纹就会在圆角表面处萌发，而腐蚀也会开始发生，从而加速损坏的过程。通过结晶过程的数学模拟可以开发出抑制焊缝圆角部位化学成分不均匀性的方法。为此，必须在固态且低于焊缝元素的共晶组分的最低熔点5 一50 的温度下作40 min一60 min的均匀化退火。金相分析、循环试验和腐蚀试验的结果都证实了这个分析结果。由于扩散过程，均匀化退火能够使化合物和偏析区溶解到固态相中。这些偏析区是结晶时沿晶界和晶间区域里形成的。
　　如果在球形颗粒表面上涂覆了涂层(在形成复合材料时该涂层会形成脆性化合物层)，则涂层会溶解在大量的熔融物里。在此情况下，均匀化退火可确保获得具有高物理一化学和机械性能的复合材料。从另一方面来看，当熔液中出现化学活性元素时，在气孔和空穴中的大量液体相会有助于在球形颗粒的表面上形成金属间化合物。
　　结论
　　1在钎焊时所发生的物理一化学过程以及用浸渗的方法(熔化粉末基体和球形颗粒)来获取复合材料具有许多共同的规律。
　　2使用同一尺寸和形状的球形颗粒可以保证获得具有性能稳定的高物理一化学和机械性能的复合材料。
　　3模拟复合材料的浸渗过程表明:在球形颗粒的尺寸为1 mm时，最大和最小的通道宽度因排列方式的不同而为0. 365和0. 0775 mm，但是它们均处在毛细间隙的范围里。
　　41 mm粒径的颗粒在与颗粒的尺寸不成倍数的压型中充填排列时，有可能形成宽度达1. 5 mm的空穴。
　　5粒径为1 m。的球形颗粒与熔融物接触(此时与排列方式无关)，可以视为是具有可变化间隙的毛细钎焊。
　　6业已确定，在钎焊过程中，以及在获取固体相之间具有最小间隙的复合材料时，组织结构和化学成分都会发生变化。这会导致机械性能和耐腐蚀性能的提高。
　　7在钎焊和获取复合材料时，保温时间为60min，退火温度低于最低共晶熔化温度5 一50  的均匀化退火可确保获得具有高耐腐蚀性和循环强度(与基本材料强度水平相当)的接头。