程遠勝，封小松，張帥

（1.哈爾濱工業(yè)大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱150001;2.上海航天設備制造總廠，上海 200245）

材料連接是將兩種或多種材料（包括金屬和非金屬、復合材料、化合物等）通過一定的工藝條件連接到一起，形成一個完整的、具有一定使用性能的結構。材料連接結構具有多種材料綜合的優(yōu)良性能，因而在航空航天、空間技術、核工業(yè)、電子通訊、汽車、石油化工等領域得到了廣泛應用［1］。

現(xiàn)代科學技術的進步對材料科學與工程技術的要求日益提高［1—5］，研制開發(fā)新型高性能構復合材料結零件以及先進復合材料連接技術，已經(jīng)成為廣大高科技企業(yè)需要迫切解決的問題，這一現(xiàn)象在汽車、航空航天、電子通訊等領域體現(xiàn)得非常明顯［6—10］。金屬基復合材料連接工藝主要有熔化焊工藝［11］（如激光焊、電子束焊和電容放電焊等）和固相連接工藝（如擴散焊、慣性摩擦焊和攪拌摩擦焊等）。熔化焊連接存在很多困難，主要表現(xiàn)在熔化金屬黏度大;基體和強化相之間熔點相差較大;熔化金屬凝固時偏析現(xiàn)象嚴重;強化相和金屬基體會產(chǎn)生相互作用以及氣體的逸出等。固相連接工藝一般要求較高的連接溫度、壓力以及接觸面足夠光滑且非常清潔，工藝控制嚴格。

連接是陶瓷基復合材料（CMCs）走向工程應用需要解決的關鍵技術之一。一方面，CMCs復雜精密構件的低成本制造，需要實現(xiàn)CMCs之間的連接;另一方面，構件各部分不同的功能，需要實現(xiàn)其之間的連接。目前國內(nèi)外對于陶瓷材料的連接方法已經(jīng)有了廣泛的研究，但有關CMCs的連接研究報導相對較少，主要是由于基體相的液相難以獲得，因而采用傳統(tǒng)的焊接方法（如熔焊）不具有現(xiàn)實意義。從已公布的文獻［12］可知，目前已發(fā)現(xiàn)連接 CMCs本體及其CMCs-金屬機理有:物理連接機理（分子力）、機械連接機理（釘扎結構）、化學反應連接機理，并且是多種機理共同實現(xiàn)連接性，相應的連接方法主要有固相擴散焊、液相法、先驅體法、反應成形法。

綜上所述，復合材料連接的前提是獲得良好的接頭綜合性能，而機械連接、膠接和常規(guī)熔焊方法難以滿足這些要求［3—4］。機械連接和膠接存在很多缺點，如強度低、結構質量大、膠接時產(chǎn)生多余物等。常規(guī)的熔焊方法連接容易出現(xiàn)如下問題:（1）冶金不相容性，在界面形成脆性化合物相;（2）熱物理性能不匹配，產(chǎn)生殘余應力;（3）力學性能差異大，導致連接界面力學失配，產(chǎn)生嚴重的應力奇異行為。上述問題的存在，不但使得復合材料連接困難，而且還影響到接頭組織、性能和力學行為，對接頭的斷裂性能和可靠性造成不良影響，甚至嚴重影響結構的完整性［3—10］。

1 半固態(tài)模鍛成形工藝的特點及發(fā)展現(xiàn)狀

半固態(tài)金屬成形是20世紀70年代新發(fā)現(xiàn)的一種凝固現(xiàn)象的應用，它不是利用凝固過程來控制組織的變化或缺陷的產(chǎn)生，而是通過半固態(tài)金屬液產(chǎn)生的流變性和熔融性來控制制件的質量。

半固態(tài)成形包括流變成形和觸變成形。將制得的半固態(tài)非枝晶漿料直接進行成形加工，稱為流變成形;而將這種漿料先凝固成鑄錠，再根據(jù)需要將金屬鑄錠分切成一定大小，使其重新加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間而進行的加工稱為觸變成形。流變成形，由于直接獲得的半固態(tài)漿液的保存和輸送很不方便，因此在實際應用中很少。相比而言，觸變成形更為實際可行。觸變成形根據(jù)其工藝過程可以分為非枝晶組織的制備、二次部分重熔及半固態(tài)觸變成形3個過程。

半固態(tài)模鍛具有許多獨到的優(yōu)點:與普通鑄造工藝相比，容易充填模具型槽，變形溫度較低，可以明顯延長模具的使用壽命，同時可提高制件精度與生產(chǎn)效率，并且制件可獲得相對較高的綜合機械性能。與固態(tài)金屬塑性加工相比，屈服強度相當?shù)停鲃有詷O好，可在相對較小的成形壓力作用下充填模具型槽，從而達到制件的最終形狀，且其表面粗糙度較小，并可一次成形具有復雜形狀的制件。由此可以看出，半固態(tài)模鍛成形工藝是一種高效、低耗的新興的金屬成形技術。

在國外，半固態(tài)模鍛技術已在汽車工業(yè)得到應用，1994年和1996年，美國Alumax公司分別建成了兩座半固態(tài)鋁合金成形汽車零件的生產(chǎn)工廠，該公司生產(chǎn)的半固態(tài)模鍛鋁合金汽車制動總泵體，由于毛坯尺寸接近零件尺寸，機加工量只占鑄件質量的13%，同樣的金屬型鑄件的加工量則占鑄件質量的40%。為奔迪克斯（Bemdix）牌轎車生產(chǎn)了250萬個鋁合金汽缸頭，為福特汽車公司鍛造了1500萬個汽車空調器壓縮機鋁合金活塞［13—14］。國內(nèi)對半固態(tài)加工技術的研究起步較晚，雖然在半固態(tài)坯料制備、二次重熔、半固態(tài)成形等方面取得了一些研究成果，但實際應用得很少，與國外相比有較大差距。

2 復合材料半固態(tài)模鍛連接一體化成形技術

2.1 復合材料半固態(tài)模鍛連接一體化成形技術的提出

隨著工業(yè)輕量化的要求，采用輕質合金替代傳統(tǒng)鋼質材料是大勢所趨，但是有些部件既對強度有要求，又對某些物理性能有要求，如耐磨性。如果利用傳統(tǒng)的鋼質耐磨圈，其與本體之間由于材質的物理等性能差異，界面結合能力差，無論是塑性加工成形還是液態(tài)成形就很難完成。

作者等人曾采用利用復合材料制備耐磨圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼質耐磨圈，隨后在壓力作用下實現(xiàn)高溫鋁液的浸滲+模鍛一次性成形［15］。但該工藝存在一定的缺點:澆注鋁液溫度及模具材料要求較高，工藝比較復雜、工序較長，由于存在液態(tài)金屬，最后凝固區(qū)容易產(chǎn)生內(nèi)部微觀裂紋。

為此提出以下思路:制備具有近球形微觀組織的耐磨圈復合材料半固態(tài)坯（漿）料以及本體金屬半固態(tài)漿（坯）料，然后依次置于模腔并在壓力作用下整體復合模鍛成形（如圖1所示）。這樣不僅零件整體一次性成形，生產(chǎn)效率高，而且界面結合良好。此即筆者所提出的“半固態(tài)材料連接-模鍛一體化成形”工藝方法。該工藝方法將半固態(tài)成形技術和材料連接2種工藝相融合，發(fā)揮其長，避開其短。

圖1 復合材料半固態(tài)模鍛-連接復合成形技術流程示意Fig.1 Schematic diagram of metal matrix composites die forging and connection in semisolid state

2.2 半固態(tài)模鍛連接成形復合工藝的研究意義

1）成形過程中既存在液相，又存在壓力作用。半固態(tài)的液相擴散及壓力的作用，使得界面擴散能力更強，性能更優(yōu)良。連接溫度超過基體固相線溫度時，原子的活性和遷移率增加，基體塑性流動性良好，促使接頭強度得以明顯提高。

2）從已經(jīng)舉辦的第十一屆半固態(tài)國際會議（S2P）的學術文章看［21］，各國學者的研究工作多是集中在半固態(tài)坯料的制備方法、二次重熔、流變壓鑄和觸變壓鑄，但對如何利用半固態(tài)技術實現(xiàn)材料的連接成形及質量控制問題的研究報導極少。

3）半固態(tài)技術作為一種新型的復合材料連接技術，具有很多傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點，如變形力較小、基體組織致密、界面結合良好且無界面反應，可實現(xiàn)復合材料界面連接+整體成形的同步一次性進行，對連接條件要求比較低，簡單易行無需專用設備。

4）該工藝成形方式還可以采用其他成形方式，如擠壓、軋制等。利用該工藝方法可以很好地解決層狀異質板材的成形問題。

2.3 復合材料半固態(tài)模鍛連接一體化研究部分研究結果

2.3.1 2024-30%vol SiCp/2024鋁合金復合材料

將通過等溫熱處理后的2024鋁合金棒材加工成φ24 mm×52 mm，通過粉末冶金的方法制備出 φ24 mm×φ40 mm×50 mm的30%vol SiCp/2024鋁合金復合材料。然后將2024鋁合金棒材置于復合材料管件中，并在1000 kN壓力機下對鋁合金棒料稍微鐓粗變形，使2024-SiCp/2024鋁基復合材料界面結合牢固（如圖2 所示）［22—25］，從而制備出成形坯料。最后將上述坯料加熱到半固態(tài)溫度并置于2000 kN液壓機下模鍛成形制備出齒輪件典型件（如圖3所示）。成形溫度:620，625，630，640 ℃，成形壓力:300，400，500 MPa。成形過程中需要氬氣保護，保溫30 min，成形后保壓0.5 min。

圖2 半固態(tài)連接模鍛成形坯料Fig.2 Billets for die forging and connection

圖3 2024-SiCp/2024鋁基復合材料連接成形齒輪件Fig.3 Gear formed by forged and connected with 2024-SiCp/2024 composites

圖4 成形溫度為630℃時不同成形壓力下的微觀組織Fig.4 Microstructure of composites forged under pressure at 630℃

2.3.2 高體分率SiCp/Al-Al電子封裝殼體件半固態(tài)模鍛成形研究

國外SiCp/Al電子封裝材料制備工藝較為成熟，已從試驗階段進入實用階段。在部分發(fā)達國家SiCp/Al電子封裝材料已經(jīng)能實現(xiàn)商品化規(guī)模生產(chǎn)，并且在重要領域，如軍用領域、航空航天領域中正逐步取代傳統(tǒng)封裝材料。新型電子封裝材料目前主要應用在軍用電子領域，如微波管載體、軍用混合電路、超大功率模塊封裝和多芯片的熱沉等，取得了巨大的成果［27］。

通過粉末混合工藝制備出高體分率SiCp/Al-Al復合材料坯料，然后將其加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間并置于模膛，在壓力作用下制備出高體分率SiCp/Al-Al電子封裝殼體，如圖5所示，其中端口的Al金屬層是為了實現(xiàn)殼體與蓋板的焊接。圖6為不同體分率SiC/Al-Al復合材料殼體件主體部分的微觀組織照片［27—36］。從顯微組織上看，SiC顆粒除了少數(shù)團聚在一起，其他絕大部分比較均勻地分布。

圖5 電子封裝高體分率SiC/Al-Al復合材料殼體件Fig.5 Shell parts with SiC/Al-Al composites for electronic packaging

圖6 不同體分率SiCp/Al-Al復合材料的金相組織Fig.6 Microstructure of SiCp/Al-Al composites with different volume fraction of SiC

如圖7所示，反映了660，690，720，750 ℃ 4種成形溫度下制備的50%vol SiCp/Al復合材料室溫下的熱導率?？梢钥闯?，隨著成形溫度的提高，復合材料的熱導率也隨著增加，成形壓力對熱導率的影響趨勢與成形溫度影響熱導率的趨勢基本相同，即半固態(tài)成形件的熱導率隨著成形壓力提高而增加。圖8為成形溫度對復合材料熱膨脹性能的影響，由圖8可以看出，隨著成形溫度的增加，其CTE逐漸減小，隨著成形壓力的增加，復合材料的CTE逐漸減小。

圖7 不同工藝參數(shù)下的50%vol SiCp/Al復合材料熱導率Fig.7 Thermal conductivity of 50%vol SiCp/Al composites with different technology parameters

圖8 工藝參數(shù)對復合材料熱膨脹性能的影響Fig.8 Influences of technology parameters on thermal expansion properties of composites

3 結論

1）在半固體成形和材料連接的基礎上，首次提出了半固態(tài)模鍛連接一體化工藝方法，通過理論分析及實驗，表明該工藝方法對不同體分率的復合材料的成形和連接一次性完成是可行的。

2）通過半固態(tài)模鍛成形，可以實現(xiàn)不同高體分率SiC/Al復合材料殼體件成形，且不同工藝條件對材料的熱導率和熱膨脹系數(shù)有顯著影響。熱導率可達118 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)可達8.4×10-6K-1，可以滿足電子封裝的要求。

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