复合金属泡沫的钎焊

《Journal of Materials Research and Technology》：Brazing of Composite Metal Foams

本研究探讨了复合金属泡沫（CMF）在纯铜和BNi-2钎料下的钎焊性能，通过不同密度（2.6-3.3 g/cm3）和厚度（12-42 mm）的CMF试样进行力学测试和微观结构分析，发现高密度CMF钎接强度更高（48-49 MPa），而BNi-2在低密度CMF中表现更优（23-35 MPa）。SEM和EDS分析表明，钎料扩散宽度与CMF密度正相关，低密度CMF因孔隙率高导致扩散受限，而高密度CMF（气雾化粉末制备）可实现更均匀的钎料分布和界面结合。最终验证了钎焊工艺在保持泡沫结构完整性的同时，能有效提升CMF的力学性能。

　　复合金属泡沫（CMF）是一种创新的轻质材料，其核心在于利用均匀分布的空心金属球体与金属基体的结合，以替代传统金属泡沫中不规则的孔隙结构。CMF的这种设计不仅提供了均匀的变形特性，还显著提升了能量吸收能力，使其在高强度结构应用中展现出独特的价值。然而，尽管其性能优异，现有的固体金属连接技术在与CMF的兼容性方面仍需进一步研究。近年来，固态连接技术已被证明在广泛的工艺参数、物理特性和制造历史条件下能够有效实现CMF的连接，如通过感应焊接连接厚度达25 mm的CMF，并通过扩散焊接连接厚度达5 cm的CMF。本研究则聚焦于使用纯铜（Cu）和BNi-2焊料合金作为中间层，对不同密度和厚度的CMF进行钎焊处理，探讨其对连接性能的影响。

在钎焊过程中，样品的机械性能是通过单轴拉伸测试来评估的，结果显示纯铜钎焊样品的抗拉强度约为20-48 MPa，而BNi-2钎焊样品的抗拉强度约为24-40 MPa。这表明，钎焊材料的选择对连接性能具有重要影响。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）观察，研究人员能够深入分析界面扩散现象及其对连接件机械性能的影响。研究发现，无论是使用纯铜还是BNi-2作为钎焊材料，都能成功连接厚度在22 mm至42 mm之间的S-S CMF，且在大多数情况下避免了显著的脱粘现象。

研究还发现，CMF的性能，包括其连接强度，受到其密度等参数的显著影响。在大多数样品中，断裂发生在远离焊缝的位置，表明填料与CMF之间形成了良好的集成，这可能与材料选择和加工过程的控制密切相关。这种现象进一步说明了材料密度在连接性能中的关键作用。此外，研究还涉及了钎焊材料在不同密度CMF中的扩散行为，通过EDS线扫描和图谱分析，可以观察到不同材料在CMF中的扩散宽度和浓度分布。例如，低密度CMF中，铜的扩散宽度约为16 mm，而在高密度CMF中，扩散宽度则扩展至约28 mm。同样，BNi-2在低密度CMF中的扩散宽度约为16 mm，而在高密度CMF中则扩展至约30 mm。这些数据揭示了钎焊材料与CMF密度之间的密切关系，也强调了在不同材料组合中，选择合适的钎焊材料和工艺参数对于实现高可靠性连接的重要性。

在实际应用中，由于CMF具有较低的密度和独特的结构特性，其在大型结构应用中需要特定的连接工艺。因此，本研究还探讨了钎焊与其他连接方法（如感应焊接和扩散焊接）的比较。感应焊接在2.5 cm厚度的CMF中表现良好，但在更厚的样品中，由于涡流无法有效渗透至中心区域，导致加热不均匀，从而影响连接质量。相比之下，扩散焊接通过真空炉实现整体加热，能够连接厚度达5 cm的CMF，但仍然面临在不同密度和界面间实现高质量连接的挑战。相比之下，钎焊方法在处理不同密度和复杂结构时显示出更高的灵活性和可靠性，因为它能够通过钎焊材料的润湿性和界面形成能力，有效克服不规则表面几何带来的问题。

通过本研究，研究人员不仅验证了钎焊在连接CMF方面的有效性，还提供了对连接性能和材料行为之间关系的深入理解。结果表明，钎焊材料的种类和CMF的密度是影响连接强度的关键因素。此外，研究还揭示了钎焊过程中材料扩散行为对连接质量的影响，以及在不同密度和结构条件下，连接界面的机械性能变化。这些发现为未来开发适用于不同应用场景的CMF连接方法提供了理论支持和技术指导。

在实验方法方面，研究采用了多种技术手段，包括机械测试和微观结构观察。机械测试通过单轴拉伸实验评估了连接样品的性能，而微观结构观察则通过SEM和EDS分析，深入探讨了钎焊材料在CMF中的扩散行为。这些方法为理解CMF的连接机制提供了全面的视角，同时也为优化连接工艺提供了数据支持。此外，研究还特别关注了在连接过程中可能出现的未连接区域对机械性能的影响，并通过图像处理技术对这些区域进行了量化分析，从而更准确地评估了连接质量。

综上所述，本研究不仅验证了钎焊在连接CMF方面的有效性，还揭示了钎焊材料和CMF密度对连接性能的显著影响。这些发现为未来在结构和多功能应用中使用CMF提供了重要的理论依据和技术支持，同时也为优化连接工艺和提升连接质量提供了方向。通过深入分析连接行为和材料特性，研究为推动CMF在更多领域的应用奠定了基础。