脉冲电流辅助超声焊接SiCp /Al复合材料的再结晶优化机制研究

本研究针对SiCp /Al复合材料超声焊接中晶粒粗化导致接头强度不足的问题，创新性地引入脉冲电流（Pulsed current）技术。研究人员通过调控位错运动与电子密度分布，将铝基体晶粒尺寸从15 μm细化至2 μm，接头抗拉载荷提升85%（3.7 kN vs 2.0 kN）。该成果为金属基复合材料（MMCs）的高性能连接提供了新思路，发表于《Materials Characterization》。

　　

研究背景与意义
金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）因其优异的强度-重量比在航空航天领域备受青睐，其中碳化硅颗粒增强铝基（SiC_p
/Al）复合材料更是典型代表。然而，这类材料在连接过程中面临严峻挑战：传统焊接会导致铝基体晶粒粗化（15 μm级），而硬质SiC颗粒与铝的晶格失配（lattice mismatch）又会在界面处形成位错堆积，最终使接头成为整个构件的薄弱环节。现有技术如常规超声焊接虽能改善塑性变形，但对再结晶（recrystallization）过程的调控仍显不足，导致接头强度（2.0 kN）难以满足工程需求。

研究方法与技术路线
中国科学院的研究团队开创性地将脉冲电流引入SiC_p
/Al复合材料的超声焊接过程。通过对比分析有无脉冲电流辅助的焊接接头，结合电子背散射衍射（EBSD）表征晶粒取向，透射电镜（TEM）观察位错构型，以及拉伸试验评估力学性能，系统揭示了脉冲电流对再结晶行为的调控机制。研究样本采用标准SiC_p
/Al复合材料板材，脉冲参数经正交实验优化。

关键研究发现

1. 晶粒细化效应
   脉冲电流使铝基体平均晶粒尺寸从15 μm降至2 μm，EBSD分析显示小角度晶界比例增加47%，表明脉冲电流促进了动态再结晶（dynamic recrystallization）。

2. 位错运动机制
   TEM观察到脉冲电流组界面位错密度降低62%，证实脉冲产生的电子风力（electron wind force）加速了位错滑移。而SiC颗粒周围的几何必需位错（GNDs）因形状效应（shape effect）呈现梯度分布，为再结晶提供驱动力。

3. 力学性能提升
   拉伸测试显示峰值失效载荷达3.7 kN，断口分析表明裂纹扩展路径由沿晶断裂转变为穿晶断裂，印证了细晶强化（Hall-Petch效应）的贡献。

结论与展望
该研究首次阐明脉冲电流通过三重协同机制优化SiC_p
/Al焊接接头：①促进位错增殖与重组，②增强界面电子密度梯度驱动的再结晶形核，③抑制SiC/Al界面位错塞积。这种非热效应主导的调控策略为MMCs连接提供了新范式，未来可拓展至其他难焊金属基复合材料体系。研究结果对航天器轻量化结构制造具有直接工程价值，同时为固态焊接中的能量场耦合理论补充了重要实验依据。