Ti、Ce對Zn-22Al釬料及Cu-Al釬焊接頭性能影響的研究.pdf

1、Cu/Al異種金屬釬焊接頭已經逐漸在裝備制造過程中得以推廣應用。相對于其他組分用于銅鋁釬焊的Zn-Al合金釬料，Zn-22Al的熔化區(qū)間與CsF-AlF3釬劑具有更好的工藝適配性，因此更適合用于Cu/Al異種金屬的自動火焰釬焊過程。然而目前應用于Cu/Al火焰釬焊的Zn-22Al釬料仍存在極易氧化、在Cu母材上潤濕性較差、特別是易與Cu生成脆性金屬間化合物等問題。另外，目前仍缺乏對Zn-22Al釬料抗蠕變性能、Cu/Al釬焊接頭服役時界

2、面化合物演變規(guī)律、Cu/Al釬焊接頭耐腐蝕性能等方面的研究數據。本研究針對Zn-22Al釬料和Cu/Al自動火焰釬焊接頭的不足，系統(tǒng)地研究了微量Ti、Ce的添加對Zn-22Al釬料組織、性能以及Cu/Al釬焊接頭性能的影響，并對其在釬料和接頭中的作用機理進行了探討。
　　通過對不同釬料進行電阻率和熔化特性測試發(fā)現(xiàn)，釬料電阻率隨Ti含量增加升高，隨Ce含量增加先降低然后逐漸趨于穩(wěn)定;Ti的添加可以提高釬料的固液相線并增大其熔化區(qū)間，

3、而Ce對Zn-22Al釬料的熔化特性影響甚微。釬料的熱重分析結果則表明，0.03wt.％的Ti或0.05wt.％的Ce可以提高釬料的抗氧化能力，分析是因為兩種元素在釬料表面形成了比ZnO更致密的氧化膜所致，而當Ti、Ce的添加量分別達到1wt.％和0.5wt.％時則會顯著惡化釬料的抗氧化能力。
　　微量Ti、Ce的添加可以顯著細化Zn-22Al釬料顯微組織，分析認為Ti會與釬料中的Al原子結合形成TiAl3化合物顆粒，該顆粒在釬料

4、凝固過程中優(yōu)先析出為η-Zn提供形核質點從而使其由樹枝狀轉變?yōu)椤把┗睢?Ce同樣會與Al、Zn原子結合形成Ce-(Al，Zn)化合物相，該相不僅可以為釬料提供形核質點，還會聚集在η-Zn枝晶臂間阻礙其生長，從而達到細化釬料組織的目的，但是當Ce含量超過0.15wt.％時，釬料中會形成大量含Ce硬質相，該相的大量出現(xiàn)會降低釬料的力學性能。另外，0.01～1wt.％的Ti或0.03～0.15wt.％的Ce的添加可以顯著增大釬料在Cu和Al

5、母材上的鋪展面積。
　　通過納米壓痕技術對Zn-22Al、Zn-22Al-0.03Ti、Zn-22Al-1Ti、Zn-22Al-0.05Ce、Zn-22Al-0.5Ce五種釬料的彈性模量、壓痕硬度和室溫蠕變應力指數進行了測量和計算。測量結果顯示，釬料的彈性模量和壓痕硬度均隨Ti、Ce含量的增加而提高，從而使該釬料更適合應用于火焰釬焊的自動添絲設備。當加載載荷為50mN、加載速率分別為0.5、1、2.5、5、10mN/s時，五種釬料

6、的室溫蠕變應力指數n的變化范圍分別為:24.72～27.10、33.11～38.14、28.17～33.21、32.63～36.70和28.31～32.32;而當加載速率為2.5mN/s，載荷分別為50、80、100、200、300mN時，五種釬料的蠕變應力指數n分別為:25.69～28.35、32.45～38.45、29.47～34.64、34.07～37.09和29.67～32.09，表明Ti或Ce的添加可以增強釬料在室溫時的抗蠕變

7、能力。分析認為，釬料彈性模量、壓痕硬度及室溫抗蠕變能力的提高主要是由于Ti、Ce的添加使釬料中出現(xiàn)了TiAl3或Ce-(Al，Zn)等化合物顆粒，這些強化相的出現(xiàn)提高了基體的抗變形能力。
　　釬料中Ti、Ce的添加可以顯著改善Cu/Al火焰釬焊接頭力學性能和顯微組織，Zn-22Al-0.03Ti和Zn-22Al-0.05Ce所得Cu/Al接頭剪切強度較Zn-22Al接頭分別提高了17.4％和23.6％;釬焊過程中Cu側界面處先后發(fā)

8、生兩個反應:Cu+Zn→CuZn和9Cu+4Al→Cu9Al4，Ti、Ce的添加促使釬縫中條塊狀CuAl4相轉變?yōu)轭w粒狀，從而提高了Cu/Al接頭的剪切強度;Cu/Al釬焊接頭斷裂形式為韌性斷裂，接頭斷面處有明顯的韌窩和化合物顆粒，Ti、Ce的添加可以使韌窩的分布更細小均勻，并促使斷裂位置由靠近界面化合物處轉移至釬縫處。
　　采用高溫時效試驗模擬了Cu/Al釬焊接頭的老化過程，研究了該過程中接頭力學性能和顯微組織的演化過程。時效過

9、程中，接頭剪切強度隨時效時間的延長逐漸降低，但Zn-22Al-0.03Ti和Zn-22Al-0.05Ce接頭的剪切強度始終高于Zn-22Al接頭;期間還伴隨著Cu側界面化合物厚度的逐漸增加，其結構逐漸由Cu9AlCCuZn轉變?yōu)镃u9Al4/CuAl/CuZn，并最終轉變?yōu)棣?Cu9Al4/CuAl/CuZn; Ti、Ce的添加降低了界面化合物的生長速率，并使Cu9Al4相的擴散激活能由76.9kJ/mol分別升高至83.9kJ/mol

10、和87.6kJ/mol，同時還降低了其粗化通量，有利于接頭性能的保持;時效時，釬縫處Cu9Al4相顆粒逐漸長大，分析認為是由于顆粒體積不同所導致的Cu原子濃度差異所致;時效后期，接頭的斷裂形式逐漸由韌性斷裂轉變?yōu)榇嘈詳嗔选?br>　　研究了Ti、Ce的添加對Zn-22Al釬料在中性3.5wt.％NaCl溶液中腐蝕速率的影響，采用動電位掃描法和交流阻抗法對不同釬料的電化學腐蝕行為進行了研究。結果表明，Ti、Ce的添加有效降低了Zn-22A