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Zn-3Al钎料超声辅助钎焊Cu/Al异种金属
摘要
采用Zn-3Al钎料对Cu/Al异种金属进行超声辅助钎焊.研究了钎焊温度对Cu/Al接头组织和力学性能的影响。结果表明，超声振动可以使Cu/Al接头获得良好的冶金结合。在400°C钎焊时，钎料层组织不均匀，Cu界面上有较厚的CuZn5IMC层。将钎焊温度提高到440°C时，钎料层组织细化、分散，Cu界面IMC层形成较薄的Al4.2Cu3.2Zn0.7锯齿状组织。进一步将钎焊温度提高到480°C，使钎料粗化，使Al4.2Cu3.2Zn0.7IMC层明显生长为枝晶结构。纳米压痕试验表明，Al4.2Cu3.2Zn0.7和CuZn 5相的硬度分别为11.4和4.65GPa。抗拉强度试验表明，Cu/Al接头均在Cu界面区域失效。在440°C钎焊的接头抗拉强度最高，达78.93MPa。
关键词
Cu合金
铝合金
Zn-3Al填充金属
超声辅助钎焊
微结构
力学性能
1. 导言
铜合金和铝合金因其优异的电导和导热性能，在空调、电冰箱、电缆、中央处理器(CPU)散热器等制造中得到了广泛的应用。然而，铜合金的高成本和高密度一直是限制其应用的主要因素。因此，为了降低成本和重量，并结合高导热系数和导电性的优点，铝与铜的结合越来越受到人们的关注。然而，由于两种材料的热物理性能差异很大，以及Al衬底表面氧化物膜的冶金结合障碍，加入Cu/Al异种金属是一个很大的挑战。此外，Al和Cu合金具有强烈的负混合焓，容易形成脆性Cu-Al金属间化合物(Imcs)。这些IMC(如Al)2Cu和Cucl相会严重影响Cu/Al接头的导电性、力学性能和耐蚀性.
钎焊是目前最常用的连接Cu/Al异种金属的方法之一。相对较低的钎焊温度和钎料的加入可以有效地降低Cu/Al接头的残余应力。在以往的研究中，Al-Si系合金和Sn基合金是最常用的Cu/Al钎焊合金。然而，铝硅填充金属通常在560-600的温度下使用。 引起脆性Cu-Al IMC的形成。Sn基合金钎焊温度较低，但使用含Sn钎料会降低Cu/Al接头的强度和耐蚀性。近年来，Zn-Al系合金被认为是铜/铝异种金属钎焊的一种很有前途的钎料。其优点是钎焊温度适中(Zn-Al共晶合金的熔化温度为381℃)。 与其他填料相比，具有更高的耐蚀性和良好的力学性能。Berlanga-Labari等人。报道了与Al-Si合金相比，Zn-Al共晶钎料钎焊Cu/Al金属具有更均匀的显微组织和较少的缺陷(孔洞和裂纹)。冀等人报道了添加Zn-Al过共晶钎料的Cu/Al钎料具有较高的接头强度。不幸的是，厚铝2由于较高的冶金反应温度(高于520)，在研究中发现了铜的imc层。 在火焰钎焊过程中冶金反应时间较长。Cu/Zn-Al/Al接头钎焊温度较低，例如低于500℃。 可避免铝的生成2Cu相然而，Zn-Al钎料钎焊Cu/Al异种金属时的低温冶金行为尚不清楚。
此外，在常规的Cu/Al钎焊工艺中往往采用焊剂，这会极大地降低Cu/Al接头的耐蚀性。超声波辅助钎焊是一种著名的无流体钎焊方法，在铝合金及其复合材料钎焊中得到了广泛的研究。最近，Al/T和Al/Fe利用超声振动成功地进行了异种金属的钎焊，获得了优良的接头性能。然而，以往关于Al/Cu异种金属超声辅助钎焊的研究较少。
本文采用Zn-3Al(wt.%)近共晶钎料，在超声振动辅助下制备了Cu/Al无流体钎焊接头。研究了钎焊温度对接头组织和相组成的影响。此外，还对接头的力学性能和破坏机理进行了研究。
2. 实验程序
钎焊用母材为1060铝合金板材和T2铜合金板材，尺寸分别为60times;50times;4mm和50times;50times;4mm。填充金属为厚度0.4mm，尺寸50times;50 mm的Zn-3Al合金片。用差示扫描量热法测定的Zn-3Al合金的固相温度(TS)和液相线温度(TL)分别为380.0°C和397.1°C。所有的基材和填充金属表面都经过机械抛光到600磨粒，并在钎焊前用乙醇超声清洗。
表1. 1060铝合金、T2铜合金和Zn-3Al合金的化学成分。
|
材料 |
成分(wt%) |
|||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
艾尔 |
锌 |
铜 |
铁 |
银 |
V |
西 |
镁 |
锰 |
镍 |
P |
铅 |
|
|
1060 Al |
巴尔。 |
0.05 |
0.05 |
0.35 |
– |
0.05 |
0.25 |
0.03 |
0.03 |
– |
– |
– |
|
T2铜 |
– |
0.0037 |
巴尔。 |
0.0042 |
0.051 |
– |
– |
– |
– |
0.0038 |
0.0039 |
0.0032 |
|
锌-3Al |
3.21 |
巴尔。 |
0.419 |
0.032 |
– |
– |
0.067 |
0.02 |
– |
– |
– |
0.004 |
在图1中给出了超声波辅助无流体钎焊工艺原理图。该组件以重叠的形式固定在Cu基片上，填料片夹在Cu和Al基体之间作为中间层。关节的脂肪面积为50times;50 mm。用人工隔板将Cu/Al基体间的距离限制在250mu;m以内，以避免钎焊时完全挤压出液态钎料。采用欧姆加热装置，在钎焊缝中插入K型热电偶，对钎焊温度进行了监测。采用400°C、440°C和480°C钎焊获得了一系列Cu/Al接头。在钎焊过程中，每个试样首先加热到钎焊温度，然后保持约10s，然后将频率为20 kHz、功率为960 W的超声波振动直接作用于Al基体顶部4 s，超声波传感器在钎焊过程中施加约1kg的恒定压力。钎焊接头在空气中冷却到室温.
采用标准抛光工艺制备接头截面进行金相分析，然后在0.2%HNO_3乙醇溶液中腐蚀10 s，用扫描电子显微镜(SEM，日立S-4700)观察接头的微观结构。用X射线衍射(XRD、Rigaku D/max-2500 PC、Cu Kalpha;)分析了填充金属层和界面IMCs层的相组成。为了揭示用于XRD分析的界面层，首先对Cu/Al接头中的Al基体和钎料进行了机械研磨。然后在10 vol.%HNO 3乙醇溶液中进行深度刻蚀，在不同的时间内完全去除剩余的填料。用最大载荷为3000mu;N的纳米压痕试验机(TI 700 Ubi Hysitron，Inc)测量了Cu界面层的硬度。拉伸试验样品如图2所示，用电火花线切割机从钎焊接头上切割而成。在电子拉伸试验机(INSTRON-5569)上，以1mm/min的速度测试了接头的抗拉强度。拉伸试验符合修订的ISO 6892标准[15]。拉伸强度定义为拉伸试验过程中断裂处的最大载荷，除以试样的截面面积。
图1. 超声波辅助钎焊工艺原理图。
图2. 拉伸试验样品示意图。
3. 结果和讨论
3.1. Cu/Al接头中间层的显微组织
图3A显示了400°C钎焊的Cu/Al接头截面的典型显微组织，接头在钎焊焊缝上无空隙或裂纹。Al基体被钎料润湿，alpha;-Al枝晶在Al基体上成核，生长到键合区。Cu/钎料界面上形成了一层反应层，在Cu/钎料界面上实现了良好的冶金结合。这说明在无流体超声辅助钎焊过程中，钎焊焊缝会产生空化效应，导致Zn-Al钎料在Cu和Al基体上发生润湿。
图3. (A)典型Cu/Al 400钎焊接头的扫描电镜图像 (B)400钎焊Cu/Al接头中钎料层的增强扫描电镜照片 °C，(C)440 °C和(D)480 °C.
图3B显示了400°C钎焊Cu/Al接头中钎料层的放大扫描电镜图像，发现钎料层主要由片状Zn-Al共晶相、枝晶alpha;-Al相和另一种充分发育的枝晶结构组成。粗大的alpha;-Al枝晶和长枝晶结构在Zn-Al共晶基体中呈随机分布，显示出填充金属层的非均匀组织。EDS图谱表明，长枝晶结构由3.1at.%Al，16.82 at.%Cu，80.07 at.%Zn组成。图4显示了不同温度下钎焊Cu/Al接头中钎料层的X射线衍射图。结果表明，400°C钎焊接头中的钎料层由alpha;-Al、eta;-Zn和ε-CuZn 5相组成。由此可以推测，充分发育的枝晶结构由CuZn 5相和部分Al溶解组成。
图3C显示了440°C钎焊接头中钎料层的SEM图像，与400°C钎焊接头相比，440°C钎焊接头的显微组织完全不同。接头中很少出现Zn-Al共晶相，伴随着初生alpha;-Al相和CuZn 5相体积分数的增加。初生alpha;-Al相和CuZn 5相均呈细化形貌，且在接头中分布均匀。此外，由于颜色对比复杂，一些灰条形颗粒分散在接头内，难以相互熄灭。图3C中的嵌入图像显示，棒状粒子被CuZn 5相包围，很可能CuZn 5相是由它们外延生长的。EDS分析表明，它们分别由49.88 at.%Al、39.23 at.%Cu和10.89 at.%Zn组成。
根据440°C钎焊接头中钎料层的X射线衍射图谱，可以看出这些棒状颗粒是由tau;-Al4.2Cu3.2Zn0.7三元合金相组成的。
图3d显示480°C钎焊接头中钎料层的扫描电镜图像。 C.根据XRD结果显示图4，可以看出，钎焊接头中的钎料层是在480°C处进行钎焊的具有相同的相组成，接头钎焊在440°C 但是，与440°C的钎焊相比，alpha;-Al相和Al的尺寸和体积分数。4.2铜3.2锌0.7480钎焊接头相 随着CuZn体积分数的降低，C值均显著增加。5相位。此外，Zn-Al共晶相完全消失，在该接头中还存在一些空洞.无疑，钎料组织的粗化和空洞的存在会降低接头的韧性和耐蚀性。
图4. Cu/Al钎焊接头(A)400钎料层的XRD分析 °C，(B)440 °C和(C)480 °C.
表2. Cu/Al钎焊接头在不同温度下钎料层的元素组成范围。
|
样品(°C) |
元素(wt.%) |
||
|---|---|---|---|
|
艾尔 |
铜 |
锌 |
|
|
400 |
13.56–14.97 |
6.87–7.78 |
78.19–78.67 |
|
440 |
17.67–17.87 |
10.49–11.63 |
70.05–71.84 |
|
480 |
25.93–27.39 |
11.97–12.33 lt;剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[234362]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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