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超声波辅助Cu/Al液相钎焊接头冶金连接机制及性能研究

肖勇  
【摘要】:出于产品成本和重量的考虑,以及为了获得优异的导电导热性能,将Cu/Al异质金属连接成复合结构以结合两者的优势正不断成为研究的热点。钎焊是一种常用的Cu/Al异质金属连接方法,但是通过传统的钎焊工艺连接Cu/Al异质金属时通常需要使用腐蚀性钎剂,而且很难对接头的显微结构进行控制,获得的接头可靠性较差。为此,本文通过超声波辅助液相钎焊方法并选用Zn-Al钎料对Cu/Al同质和异质金属进行了无钎剂钎焊连接,重点研究了声场作用下钎焊接头的界面润湿行为和冶金反应行为,并分析了不同显微结构对接头性能的影响。本课题的研究结果对制备高性能Cu/Al异质金属钎焊接头,以及正确理解声场作用下钎焊接头的冶金反应行为有着重要的意义。 本文设计了一种固定间隙超声波辅助液相钎焊方法,通过该方法能制取大熔合面、高焊合率的Cu/Al无钎剂钎焊接头,并能利用超声波对接头的显微结构进行控制。基于该钎焊方法,本文研究了采用Zn-14Al过共晶钎料钎焊Al/Al同质金属时,钎焊温度对接头的界面润湿行为、显微结构及性能的影响。结果表明,在钎料的半固态状态钎焊时,Al母材表面的氧化膜主要靠半固态钎料与母材间的相互摩擦来破碎,接头的焊合率和剪切强度较差;当在钎料的液相线温度点处钎焊时,超声波在液相中形成的空化效应促进了液相钎料在母材表面的润湿并细化了钎缝层中的α-Al相,接头获得了很高的焊合率和剪切强度。 研究了Cu/Zn-3Al/Cu同质金属钎焊时,钎料合金成分对接头的界面润湿行为和冶金反应行为的影响。结果表明,采用Zn-3Al钎料时,接头的Cu界面处形成了较厚的CuZn5和Cu5Zn8金属间化合物层,接头在超声空化效应和Cu-Zn冶金反应的共同作用下只需很短的超声钎焊时间便能获得良好的冶金结合。采用Zn-14Al钎料时,接头Cu界面处的Cu5Zn8金属间化合物层转变成了Cu基扩散层,接头需较长的超声钎焊时间才能获得充分的冶金结合,钎料合金在母材表面的润湿主要依靠超声波引起的空化效应。测得的Cu/Zn-3Al/Cu和Cu/Zn-14Al/Cu钎焊接头的剪切强度值分别为37.9MPa和92.1MPa。 研究了Al/Zn-3Al/Cu异质金属钎焊时,钎焊温度对接头冶金反应行为及性能的影响。结果表明,在400℃超声钎焊时,接头的钎缝层由不均匀分布的α-Al和CuZn5树枝状晶以及Zn-Al共晶基体组成,接头的Cu界面处形成了较厚的扇贝状CuZn5金属间化合物层和Cu基扩散层。增加钎焊温度到440℃时,接头的钎缝层转变为由均匀弥散分布的CuZn5、α-Al和Al4.2Cu3.2Zn0.7相组成,接头Cu界面处的金属间化合物层则由CuZn5相转变为锯齿状的Al4.2Cu3.2Zn0.7相,其平均厚度值仅为2.0μm。进一步增加钎焊温度至480℃引起了接头显微组织的粗化和钎缝层中缩孔的形成。性能测试表明,与在400℃和480℃超声钎焊相比,在440℃超声钎焊获得的Cu/Al接头有着最佳的拉伸强度值(78.9MPa)和腐蚀抗性。时效处理发现,Al4.2Cu3.2Zn0.7金属间化合物层有着很好的热稳定性,并能有效的阻挡钎料层与Cu母材间的原子扩散,从而抑制Cu界面层冶金反应的进行。 研究了等温超声处理时Al/Zn-3Al/Cu钎焊接头显微结构及性能的演变。结果表明,在400℃超声钎焊时,随着超声振动时间的延长,接头钎缝层中的相组成由超声振动2s时的α-Al和Zn-Al共晶相转变为超声振动15s时的α-Al、CuZn5、Zn-Al共晶和Al4.2Cu3.2Zn0.7相;Cu界面处的金属间化合物层则由CuZn5相逐步转变为Al4.2Cu3.2Zn0.7相,且其平均厚度值仅为1.5μm。分析发现,钎缝层中的Al4.2Cu3.2Zn0.7颗粒由Cu界面处的Al4.2Cu3.2Zn0.7金属间化合物层剥离而来,而Cu界面处Al4.2Cu3.2Zn0.7金属间化合物层的形成则与超声空化效应在Cu母材表面形成的局部过饱和溶解行为有关。拉伸强度测试表明,在400℃超声钎焊2s和超声钎焊15s获得的Cu/Al接头的拉伸强度值分别为35.7MPa和89.3MPa。 研究了凝固超声处理对Al/Zn-3Al/Cu钎焊接头显微结构和物理性能的影响。结果表明,通过在420℃超声钎焊并在接头凝固过程中继续实施超声振动,有利于细化钎缝层中的先共晶α-Al相和Zn-Al共晶组织,并能在接头中形成一种等轴花瓣状的CuZn5/Al复合结构。花瓣状的CuZn5晶体在不同晶向上呈现出较好的各向同性,其形成与超声波对母材溶蚀和晶粒细化的共同促进作用有关。与未经凝固超声处理的Cu/Al钎焊接头相比,经过凝固超声处理的Cu/Al钎焊接头其钎缝层的硬度值提高了26.2%,热膨胀系数值降低了38.0%。


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