超聲波輔助Cu-Al液相釬焊接頭冶金連接機(jī)制及性能研究.pdf

1、出于產(chǎn)品成本和重量的考慮，以及為了獲得優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，將Cu/Al異質(zhì)金屬連接成復(fù)合結(jié)構(gòu)以結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)正不斷成為研究的熱點(diǎn)。釬焊是一種常用的Cu/Al異質(zhì)金屬連接方法，但是通過(guò)傳統(tǒng)的釬焊工藝連接Cu/Al異質(zhì)金屬時(shí)通常需要使用腐蝕性釬劑，而且很難對(duì)接頭的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，獲得的接頭可靠性較差。為此，本文通過(guò)超聲波輔助液相釬焊方法并選用Zn-Al釬料對(duì)Cu/Al同質(zhì)和異質(zhì)金屬進(jìn)行了無(wú)釬劑釬焊連接，重點(diǎn)研究了聲場(chǎng)作用下釬焊接頭的界面潤(rùn)

2、濕行為和冶金反應(yīng)行為，并分析了不同顯微結(jié)構(gòu)對(duì)接頭性能的影響。本課題的研究結(jié)果對(duì)制備高性能Cu/Al異質(zhì)金屬釬焊接頭，以及正確理解聲場(chǎng)作用下釬焊接頭的冶金反應(yīng)行為有著重要的意義。
　　本文設(shè)計(jì)了一種固定間隙超聲波輔助液相釬焊方法，通過(guò)該方法能制取大熔合面、高焊合率的Cu/Al無(wú)釬劑釬焊接頭，并能利用超聲波對(duì)接頭的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制?；谠撯F焊方法，本文研究了采用Zn-14Al過(guò)共晶釬料釬焊Al/Al同質(zhì)金屬時(shí)，釬焊溫度對(duì)接頭的界面潤(rùn)濕

3、行為、顯微結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明，在釬料的半固態(tài)狀態(tài)釬焊時(shí)，Al母材表面的氧化膜主要靠半固態(tài)釬料與母材間的相互摩擦來(lái)破碎，接頭的焊合率和剪切強(qiáng)度較差；當(dāng)在釬料的液相線溫度點(diǎn)處釬焊時(shí)，超聲波在液相中形成的空化效應(yīng)促進(jìn)了液相釬料在母材表面的潤(rùn)濕并細(xì)化了釬縫層中的α-Al相，接頭獲得了很高的焊合率和剪切強(qiáng)度。
　　研究了Cu/Zn-3Al/Cu同質(zhì)金屬釬焊時(shí)，釬料合金成分對(duì)接頭的界面潤(rùn)濕行為和冶金反應(yīng)行為的影響。結(jié)果表明，采用Zn-

4、3Al釬料時(shí)，接頭的Cu界面處形成了較厚的CuZn5和Cu5Zn8金屬間化合物層，接頭在超聲空化效應(yīng)和Cu-Zn冶金反應(yīng)的共同作用下只需很短的超聲釬焊時(shí)間便能獲得良好的冶金結(jié)合。采用Zn-14Al釬料時(shí)，接頭Cu界面處的Cu5Zn8金屬間化合物層轉(zhuǎn)變成了Cu基擴(kuò)散層，接頭需較長(zhǎng)的超聲釬焊時(shí)間才能獲得充分的冶金結(jié)合，釬料合金在母材表面的潤(rùn)濕主要依靠超聲波引起的空化效應(yīng)。測(cè)得的Cu/Zn-3Al/Cu和Cu/Zn-14Al/Cu釬焊接頭的剪

5、切強(qiáng)度值分別為37.9MPa和92.1MPa。
　　研究了Al/Zn-3Al/Cu異質(zhì)金屬釬焊時(shí)，釬焊溫度對(duì)接頭冶金反應(yīng)行為及性能的影響。結(jié)果表明，在400℃超聲釬焊時(shí)，接頭的釬縫層由不均勻分布的α-Al和CuZn5樹(shù)枝狀晶以及Zn-Al共晶基體組成，接頭的Cu界面處形成了較厚的扇貝狀CuZn5金屬間化合物層和Cu基擴(kuò)散層。增加釬焊溫度到440℃時(shí)，接頭的釬縫層轉(zhuǎn)變?yōu)橛删鶆驈浬⒎植嫉腃uZn5、α-Al和Al4.2Cu3.2Zn0

6、.7相組成，接頭Cu界面處的金屬間化合物層則由CuZn5相轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀的Al4.2Cu3.2Zn0.7相，其平均厚度值僅為2.0μm。進(jìn)一步增加釬焊溫度至480℃引起了接頭顯微組織的粗化和釬縫層中縮孔的形成。性能測(cè)試表明，與在400℃和480℃超聲釬焊相比，在440℃超聲釬焊獲得的Cu/Al接頭有著最佳的拉伸強(qiáng)度值（78.9MPa）和腐蝕抗性。時(shí)效處理發(fā)現(xiàn)，Al4.2Cu3.2Zn0.7金屬間化合物層有著很好的熱穩(wěn)定性，并能有效的阻擋釬

7、料層與Cu母材間的原子擴(kuò)散，從而抑制Cu界面層冶金反應(yīng)的進(jìn)行。
　　研究了等溫超聲處理時(shí)Al/Zn-3Al/Cu釬焊接頭顯微結(jié)構(gòu)及性能的演變。結(jié)果表明，在400℃超聲釬焊時(shí)，隨著超聲振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭釬縫層中的相組成由超聲振動(dòng)2s時(shí)的α-Al和Zn-Al共晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槌曊駝?dòng)15s時(shí)的α-Al、CuZn5、Zn-Al共晶和Al4.2Cu3.2Zn0.7相；Cu界面處的金屬間化合物層則由CuZn5相逐步轉(zhuǎn)變?yōu)锳l4.2Cu3.2Zn

8、0.7相，且其平均厚度值僅為1.5μm。分析發(fā)現(xiàn)，釬縫層中的Al4.2Cu3.2Zn0.7顆粒由Cu界面處的Al4.2Cu3.2Zn0.7金屬間化合物層剝離而來(lái)，而Cu界面處Al4.2Cu3.2Zn0.7金屬間化合物層的形成則與超聲空化效應(yīng)在Cu母材表面形成的局部過(guò)飽和溶解行為有關(guān)。拉伸強(qiáng)度測(cè)試表明，在400℃超聲釬焊2s和超聲釬焊15s獲得的Cu/Al接頭的拉伸強(qiáng)度值分別為35.7 MPa和89.3MPa。
　　研究了凝固超聲處

9、理對(duì)Al/Zn-3Al/Cu釬焊接頭顯微結(jié)構(gòu)和物理性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)在420℃超聲釬焊并在接頭凝固過(guò)程中繼續(xù)實(shí)施超聲振動(dòng)，有利于細(xì)化釬縫層中的先共晶α-Al相和Zn-Al共晶組織，并能在接頭中形成一種等軸花瓣?duì)畹腃uZn5/Al復(fù)合結(jié)構(gòu)?；ò?duì)畹腃uZn5晶體在不同晶向上呈現(xiàn)出較好的各向同性，其形成與超聲波對(duì)母材溶蝕和晶粒細(xì)化的共同促進(jìn)作用有關(guān)。與未經(jīng)凝固超聲處理的Cu/Al釬焊接頭相比，經(jīng)過(guò)凝固超聲處理的Cu/Al釬焊接頭其釬