Ti、Ce對(duì)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(jīng)逐漸在裝備制造過(guò)程中得以推廣應(yīng)用。相對(duì)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(dòng)火焰釬焊過(guò)程。然而目前應(yīng)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(rùn)濕性較差、特別是易與Cu生成脆性金屬間化合物等問(wèn)題。另外，目前仍缺乏對(duì)Zn-22Al釬料抗蠕變性能、Cu/Al釬焊接頭服役時(shí)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(shù)據(jù)。本研究針對(duì)Zn-22Al釬料和Cu/Al自動(dòng)火焰釬焊接頭的不足，系統(tǒng)地研究了微量Ti、Ce的添加對(duì)Zn-22Al釬料組織、性能以及Cu/Al釬焊接頭性能的影響，并對(duì)其在釬料和接頭中的作用機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　通過(guò)對(duì)不同釬料進(jìn)行電阻率和熔化特性測(cè)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(duì)Zn-22Al釬料的熔化特性影響甚微。釬料的熱重分析結(jié)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?yàn)閮煞N元素在釬料表面形成了比ZnO更致密的氧化膜所致，而當(dāng)Ti、Ce的添加量分別達(dá)到1wt.％和0.5wt.％時(shí)則會(huì)顯著惡化釬料的抗氧化能力。
　　微量Ti、Ce的添加可以顯著細(xì)化Zn-22Al釬料顯微組織，分析認(rèn)為Ti會(huì)與釬料中的Al原子結(jié)合形成TiAl3化合物顆粒，該顆粒在釬料

4、凝固過(guò)程中優(yōu)先析出為η-Zn提供形核質(zhì)點(diǎn)從而使其由樹(shù)枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)椤把┗睢?Ce同樣會(huì)與Al、Zn原子結(jié)合形成Ce-(Al，Zn)化合物相，該相不僅可以為釬料提供形核質(zhì)點(diǎn)，還會(huì)聚集在η-Zn枝晶臂間阻礙其生長(zhǎng)，從而達(dá)到細(xì)化釬料組織的目的，但是當(dāng)Ce含量超過(guò)0.15wt.％時(shí)，釬料中會(huì)形成大量含Ce硬質(zhì)相，該相的大量出現(xiàn)會(huì)降低釬料的力學(xué)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(guò)納米壓痕技術(shù)對(duì)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(yīng)力指數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和計(jì)算。測(cè)量結(jié)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(yīng)用于火焰釬焊的自動(dòng)添絲設(shè)備。當(dāng)加載載荷為50mN、加載速率分別為0.5、1、2.5、5、10mN/s時(shí)，五種釬料

6、的室溫蠕變應(yīng)力指數(shù)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(dāng)加載速率為2.5mN/s，載荷分別為50、80、100、200、300mN時(shí)，五種釬料的蠕變應(yīng)力指數(shù)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(qiáng)釬料在室溫時(shí)的抗蠕變

7、能力。分析認(rèn)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)度較Zn-22Al接頭分別提高了17.4％和23.6％;釬焊過(guò)程中Cu側(cè)界面處先后發(fā)

8、生兩個(gè)反應(yīng):Cu+Zn→CuZn和9Cu+4Al→Cu9Al4，Ti、Ce的添加促使釬縫中條塊狀CuAl4相轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，從而提高了Cu/Al接頭的剪切強(qiáng)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(xì)小均勻，并促使斷裂位置由靠近界面化合物處轉(zhuǎn)移至釬縫處。
　　采用高溫時(shí)效試驗(yàn)?zāi)M了Cu/Al釬焊接頭的老化過(guò)程，研究了該過(guò)程中接頭力學(xué)性能和顯微組織的演化過(guò)程。時(shí)效過(guò)

9、程中，接頭剪切強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，但Zn-22Al-0.03Ti和Zn-22Al-0.05Ce接頭的剪切強(qiáng)度始終高于Zn-22Al接頭;期間還伴隨著Cu側(cè)界面化合物厚度的逐漸增加，其結(jié)構(gòu)逐漸由Cu9AlCCuZn轉(zhuǎn)變?yōu)镃u9Al4/CuAl/CuZn，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Cu9Al4/CuAl/CuZn; Ti、Ce的添加降低了界面化合物的生長(zhǎng)速率，并使Cu9Al4相的擴(kuò)散激活能由76.9kJ/mol分別升高至83.9kJ/mol

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