通过超高功率激光焊接连接的中厚SiC/p/2A14Al复合材料的微观结构与力学性能

《Optics & Laser Technology》：Microstructure and mechanical properties of medium-thick SiC p/2A14Al composites jointed through ultra-high-power laser welding

SiCp/Al中厚板激光焊接时，高热输入导致Al-SiC界面反应剧烈，形成Al4C3针状脆相，显著降低接头强度和塑性。本研究采用Ti中间层调控焊接冶金过程，发现0.06mm Ti层可显著抑制Al4C3生成，并通过Ti-C反应形成细小TiC颗粒，与Al3Ti短棒形成协同强化效应。优化激光参数为15kW、107mm/s，接头峰值抗拉强度达363.7MPa（基材强度86.7%），微观结构中TiC纳米颗粒和Al3Ti短棒有效细化晶粒并阻碍位错运动。研究揭示了Ti中间层厚度与焊接热循环耦合作用对微观组织调控机制，建立了工艺-组织-性能多维度关联模型，为航空等领域SiCp/Al复合材料高效焊接提供理论依据。

　　在现代材料科学与工程领域，轻量化、高强度、高刚度以及良好的耐磨损性能是提升结构材料性能的重要方向。其中，碳化硅（SiC）增强铝基复合材料因其独特的性能组合，已成为轻量化结构材料研究的热点之一。SiC_p/Al复合材料具有比强度高、比刚度大、耐高温和抗腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造及精密仪器等领域。然而，这类复合材料在焊接过程中面临诸多挑战，尤其是当其厚度较大时，传统的焊接技术难以满足工艺要求。本文围绕SiC_p/2A14Al中厚板的激光焊接工艺展开研究，重点探讨了通过引入钛（Ti）中间层调控焊接冶金过程，从而改善接头性能的方法。

激光焊接作为一种高效、精确的焊接方式，因其高功率密度、小热影响区以及快速冷却速率等优势，被认为是解决SiC_p/Al复合材料焊接问题的可行手段。然而，激光焊接过程中产生的高热输入可能加剧SiC与Al基体之间的界面反应，进而导致Al₄C₃针状脆性相的生成。这类脆性相不仅会降低接头的强度和延展性，还可能引发焊接缺陷，如气孔、裂纹等，严重影响材料的服役性能。因此，如何在保证焊接质量的同时，有效抑制脆性相的生成，成为该研究的关键问题。

针对上述问题，研究团队引入了Ti中间层作为调控焊接冶金过程的手段。Ti具有良好的与Al及SiC的冶金反应能力，能够优先与SiC反应生成稳定的TiC相，从而抑制Al₄C₃的形成。同时，Ti还能够与Al反应生成Al₃Ti，这种高温相不仅提高了材料的高温性能，还通过细化晶粒和优化界面结构，提升了接头的整体力学性能。此外，Ti的引入还改变了焊接过程中熔池的热传导行为，降低了局部应力集中，避免了因脆性相而导致的断裂现象。

在实验设计方面，研究采用了一种高功率、高速度的激光焊接策略，以确保焊接过程的高效性与稳定性。通过调整激光功率、焊接速度以及Ti中间层的厚度，研究团队对不同工艺参数下的焊接质量进行了系统评估。实验结果显示，当激光功率为15 kW、焊接速度为107 mm/s、Ti中间层厚度为0.06 mm时，接头的峰值抗拉强度达到了363.7 MPa，相当于基体材料平均抗拉强度（419.7 MPa）的86.7%。这一结果表明，通过优化工艺参数并引入Ti中间层，能够显著提升SiC_p/Al中厚板焊接接头的力学性能。

在微观结构分析方面，研究团队采用了扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等技术，对焊接过程中SiC颗粒的分布、TiC与Al₃Ti相的形成及其对晶粒结构的影响进行了深入探讨。结果显示，Ti中间层的引入显著改变了熔池中SiC颗粒的分布模式，使其在不同区域呈现出不同的聚集特征。在上区（UZ）和中区（MZ），TiC纳米颗粒的生成有效促进了晶粒细化，而在下区（LZ），由于熔池温度较低，SiC颗粒的熔化程度较低，导致晶粒尺寸较大。此外，TiC和Al₃Ti的共同作用使得接头的微观组织更加均匀，从而提升了材料的整体性能。

进一步的力学性能测试表明，Ti中间层的引入对焊接接头的强度和延展性具有显著的提升作用。尤其是在0.06 mm厚度的Ti中间层条件下，接头的平均抗拉强度提高了63.5%，峰值抗拉强度达到363.7 MPa。这一结果不仅验证了Ti中间层在抑制Al₄C₃脆性相生成方面的有效性，也表明其在细化晶粒和优化界面结构方面的优势。此外，研究还发现，Ti的引入虽然能够提升接头的力学性能，但其厚度需严格控制，过厚的Ti中间层可能导致局部Ti富集，从而引发新的应力集中问题，影响接头的均匀性。

在断裂分析方面，研究通过SEM图像观察了不同Ti中间层厚度下的焊接接头断裂模式。结果表明，Ti中间层的引入有效减少了脆性相的形成，从而降低了接头的脆性倾向。同时，TiC和Al₃Ti的分布模式对裂纹的扩展路径产生了重要影响，部分区域的TiC纳米颗粒能够有效阻碍裂纹的传播，而Al₃Ti则通过形成交错的网络结构，进一步增强了接头的韧性。然而，当Ti中间层过厚时，局部Ti富集可能导致裂纹在某些区域优先扩展，从而影响接头的整体性能。

此外，研究还探讨了不同焊接区域（UZ、MZ、LZ）的晶粒演变机制。在UZ，由于熔池温度较高，TiC纳米颗粒的生成和分布显著促进了晶粒细化，而LZ因熔池温度较低，晶粒尺寸相对较大。在MZ，TiC和Al₃Ti的共同作用使得晶粒尺寸分布更加均匀，同时提高了低角度晶界的比例，从而增强了材料的塑性变形能力。这种晶粒细化与界面调控相结合的机制，为SiC_p/Al复合材料的焊接提供了新的思路。

综上所述，本文通过引入Ti中间层，有效调控了SiC_p/Al中厚板的焊接冶金过程，显著提升了接头的力学性能。研究结果不仅为SiC_p/Al复合材料的高效焊接提供了理论依据，也为相关工程应用中的焊接工艺优化提供了实践指导。特别是在航空航天等对材料性能要求较高的领域，这种新型焊接策略有望推动SiC_p/Al复合材料的进一步应用，提升其在复杂工况下的服役性能。