鋁/鍍銀層/鋼的擴(kuò)散釬焊及界面化合物的生長(zhǎng)行為

吳銘方，司乃潮，陳 健

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003)

鋁/鍍銀層/鋼的擴(kuò)散釬焊及界面化合物的生長(zhǎng)行為

吳銘方1,2，司乃潮1，陳 健2

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003)

采用擴(kuò)散釬焊方法對(duì)6063鋁合金/鍍銀層/1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行焊接，探討焊接界面金屬間化合物的生長(zhǎng)行為。結(jié)果表明：釬縫中靠近不銹鋼一側(cè)為Fe-Al金屬間化合物層，靠近鋁合金一側(cè)主要是Ag(Al)固溶體，中心區(qū)域由Ag-Al化合物和Ag(Al)固溶體混合而成；隨著低溫?cái)U(kuò)散保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，化合物層厚度隨之增加，Ag在鋁合金一側(cè)富集出現(xiàn)晶界滲透現(xiàn)象；釬縫中首先產(chǎn)生Ag-Al金屬間化合物，之后共晶液相中的Al原子穿越Ag-Al金屬間化合物層和殘余鍍銀層擴(kuò)散至不銹鋼一側(cè)，與Fe原子生成Fe-Al金屬間化合物；在任意給定的擴(kuò)散釬焊低條件下，可以對(duì)化合物層厚度進(jìn)行初步估算。

鋁合金；6063鋁合金；不銹鋼；Ag；擴(kuò)散釬焊；化合物生長(zhǎng)

Abstract:The 6063 Al alloy/Ag plating layer/1Cr18Ni9Ti was joined by diffusion brazing. The growth behavior of the intermetallics (IMC) at the interface was discussed. The results show that Fe-Al IMC layer and Ag (Al) solid solution form in the side of stainless steel and Al alloy in the joint, respectively. Meanwhile, the microstructure at the centre zone is composed of Ag-Al IMC and Ag (Al) solid solution. As the diffusion holding time at low temperature is prolonged, the thickness of IMC layer increases. The grain boundary penetration is obvious due to the side of Al alloy rich in Ag. Ag-Al IMC forms initially, and then Fe-Al IMC occurs as Al atom diffusing through Ag-Al IMC layer and residual Ag plating layer and reacting with Fe atom in the stainless steel. The thickness of IMC layer can be estimated in the optional given condition of diffusion brazing.

Key word: Al alloy; 6063 aluminum alloy; stainless steel; Ag; diffusion brazing; compound growth

接觸反應(yīng)釬焊是利用母材與接觸反應(yīng)材料形成共晶體的特點(diǎn)，在界面接觸良好且加熱溫度超過(guò)共晶溫度的條件下，通過(guò)原子間相互擴(kuò)散在被連接材料表面形成液相并完成潤(rùn)濕鋪展，從而實(shí)現(xiàn)材料連接的方法。與常規(guī)釬焊相比，接觸反應(yīng)釬焊時(shí)無(wú)需添加釬劑，連接過(guò)程所需加熱溫度較低，且具有一定的自清理母材表面氧化膜的作用[1?5]。固相擴(kuò)散焊具有連接溫度低、殘余應(yīng)力小和焊接冶金缺陷少等特點(diǎn)[6?7]。為了充分發(fā)揮兩者的特點(diǎn)，本文作者提出采用擴(kuò)散釬焊連接6063鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼。基本工藝過(guò)程如下：首先在真空條件下加熱至Al-Ag共晶熔點(diǎn)以上，待其熔化充分完成對(duì)基體材料的潤(rùn)濕鋪展之后迅速降到Al-Ag共晶點(diǎn)溫度以下進(jìn)行保溫，以期減少焊縫中Al-Fe金屬間化合物的含量，消除焊縫的微觀缺陷，防止母材性能惡化，最終實(shí)現(xiàn)提高接頭性能的目的。

選擇 Ag作為接觸反應(yīng)材料是基于以下幾點(diǎn)考慮[8?9]：由Al-Ag二元合金相圖可知，當(dāng)加熱溫度達(dá)到566 ℃、Ag的含量為 72%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Al的含量為28%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，在Al/Ag緊密接觸界面可以發(fā)生共晶反應(yīng)而產(chǎn)生液相，填充接頭間隙，從而為后續(xù)低溫?cái)U(kuò)散焊的順利實(shí)施及獲得致密接頭提供保障；由于Ag較軟，在擴(kuò)散釬焊加熱初期借助其塑性變形促進(jìn)與6063鋁合金連接界面的緊密接觸，且其熱膨脹系數(shù)介于6063鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的之間，可以緩解焊接應(yīng)力；在焊縫中生成一定量的Ag-Al金屬間化合物，從而可以減少Fe-Al金屬間化合物的生成量。由于Ag-Al金屬間化合物的脆性小于Fe-Al的，這對(duì)于防止接頭嚴(yán)重脆化具有一定的意義。

在此，本文作者通過(guò)對(duì) 6063鋁合金/鍍銀層/1Cr18Ni9Ti不銹鋼的擴(kuò)散釬焊試驗(yàn)，重點(diǎn)研究界面金屬間化合物的生長(zhǎng)行為，從而為優(yōu)化工藝參數(shù)、解決工程實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)覆臑?063鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼，試樣尺寸15 mm×15 mm×2 mm，按圖1所示進(jìn)行裝配，并外加0.1 MPa壓力。中間反應(yīng)層材料Ag采用焊接前預(yù)置在不銹鋼表面，厚度為10 μm。具體步驟如下：不銹鋼待鍍面打磨—清洗—活化—鍍銀—清洗。

6063鋁合金試樣焊接前，使用金相砂紙打磨并用超聲波在丙酮溶液中清洗。

圖1 試樣裝配示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen assembly

鋁合金具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，為了防止6063鋁合金表面出現(xiàn)二次氧化現(xiàn)象，整個(gè)焊接過(guò)程在真空環(huán)境中完成。根據(jù)Al-Ag共晶溫度(566 ℃)及6063鋁合金液?固相線溫度(615~655 ℃)，選擇初次加熱溫度590℃，待鍍銀層完全溶解充分并完成對(duì)基體材料表面的潤(rùn)濕鋪展之后，迅速降溫進(jìn)行擴(kuò)散保溫，低溫?cái)U(kuò)散溫度分別為530和550 ℃，保溫時(shí)間控制在10~120 min范圍內(nèi)。焊接結(jié)束后，借助掃描電子顯微鏡和電子探針對(duì)接頭的微觀組織及Fe-Al金屬間化合物生長(zhǎng)情況進(jìn)行測(cè)試和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 保溫時(shí)間對(duì)組織的影響

6063鋁合金/鍍銀層/1Cr18Ni9Ti不銹鋼擴(kuò)散釬焊接頭的SEM像如圖2所示。圖2(b)所示為圖2(a)中A區(qū)域的放大圖。初次加熱熔化溫度T1都為590 ℃，低溫?cái)U(kuò)散溫度T2為550 ℃，保溫時(shí)間分別為10 min、30 min、60 min。

由圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)焊縫明顯由3層組成，即靠近1Cr18Ni9Ti不銹鋼一側(cè)的Ⅰ區(qū)，靠近6063鋁合金一側(cè)的Ⅲ區(qū)，焊縫中心深灰色組織和顆粒狀淺灰色組織混合而成的Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)寬度約12 μm，Ⅱ區(qū)寬度8 μm左右，Ⅲ區(qū)形狀不規(guī)則，最大區(qū)域?qū)挾冗_(dá)到6~7 μm，最小區(qū)域?qū)挾葍H2~3 μm。能譜測(cè)試結(jié)果表明，B點(diǎn)處Al含量為21.90%(摩爾分?jǐn)?shù)，下同)，F(xiàn)e含量為70.45%，Ag含量為3.38%，Ni含量為4.27%；C點(diǎn)處Al含量為64.17%，F(xiàn)e含量為2.01%，Ag含量為33.82%；D點(diǎn)處Al含量17.44%，Ag含量為82.56%。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果并結(jié)合Al-Ag、Al-Fe二元合金相圖及已有的研究成果可以認(rèn)為，靠近不銹鋼一側(cè)的Ⅰ區(qū)(B點(diǎn))由Al與Fe、Ag、Ni形成的化合物構(gòu)成，主要含F(xiàn)e-Al化合物；Ⅱ區(qū)基本由Ag-Al化合物和Ag(Al)固溶體混合而成；塊狀淺灰色組織(Ⅲ區(qū))主要為Ag(Al)固溶體。保溫時(shí)間10 min后(見(jiàn)圖2(c))，靠近不銹鋼一側(cè)界面已形成明顯的反應(yīng)層，總厚度約為8~10 μm，但分層現(xiàn)象不明顯，界面無(wú)縮孔、未釬透等微觀焊接缺陷；6063鋁合金一側(cè)基體白色針狀析出組織已清晰可見(jiàn)，但相互交替生長(zhǎng)呈網(wǎng)格狀現(xiàn)象尚不明顯，中間反應(yīng)層Ag沿6063鋁合金晶界擴(kuò)散已非常顯著，在晶界與Al形成了大量的Ag-Al共晶組織。當(dāng)保溫時(shí)間從10 min延長(zhǎng)至60 min(見(jiàn)圖2(d))，不銹鋼一側(cè)界面反應(yīng)層生長(zhǎng)迅速，厚度達(dá)到23 μm左右；6063鋁合金一側(cè)基體白色針狀析出相更加明顯，交替生長(zhǎng)呈網(wǎng)格狀一目了然，6063鋁合金晶界因晶界滲透而生成的Ag-Al共晶組織已基本消失，說(shuō)明Ag在6063鋁合金中的活性較大，首先沿晶界產(chǎn)生選擇性擴(kuò)散形成共晶液相后，迅速向6063鋁合金基體中發(fā)生體積擴(kuò)散。

圖2 550 ℃時(shí)保溫不同時(shí)間后接頭界面的微觀組織Fig.2 Microstructures of interface of joint after holding at 550 ℃ for different times: (a) 50 min; (b) Magnification of zone A in Fig.2(a); (c) 10 min; (d) 60 min

2.2 界面金屬間化合物層的生長(zhǎng)行為

圖3所示為Ag-Al共晶反應(yīng)及化合物生成過(guò)程。由圖3可看出，加熱6063鋁合金/鍍銀層/1Cr18Ni9Ti不銹鋼試樣，Al和Ag原子產(chǎn)生相互擴(kuò)散，當(dāng)加熱溫度達(dá)到共晶溫度566 ℃時(shí)、界面Ag和Al達(dá)到共晶點(diǎn)濃度時(shí)，Ag-Al發(fā)生共晶反應(yīng)生成液相，從而在6063鋁合金與鍍銀層之間產(chǎn)生固液界面，與此同時(shí)在鍍銀層一側(cè)界面生成Ag-Al金屬間化合物。隨著擴(kuò)散釬焊加熱溫度升高至 590 ℃，由于界面兩側(cè)的 Al和 Ag原子存在極大的濃度差，在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的作用下，6063鋁合金中的Al原子迅速向 Ag側(cè)擴(kuò)散，鍍銀層中的Ag原子向6063鋁合金基體中擴(kuò)散，導(dǎo)致6063鋁合金因共晶反應(yīng)而進(jìn)一步溶解，宏觀上表現(xiàn)為液相區(qū)的寬度不斷增大。因此，可以說(shuō)該液相區(qū)增寬的原因是因?yàn)殄冦y層中的Ag原子源源不斷地經(jīng)共晶液相層擴(kuò)散至6063鋁合金一側(cè)界面形成的。另外，由于共晶液相中的Al原子經(jīng)Ag-Al金屬間化合物層擴(kuò)散至鍍銀層。因此，可以看到隨著加熱過(guò)程的持續(xù)，Ag-Al金屬間化合物層不斷增厚，其生長(zhǎng)方向指向鍍銀層，以消耗鍍銀層中的Ag原子為代價(jià)連續(xù)向鍍銀層中生長(zhǎng)(見(jiàn)圖3(a))。在共晶溫度以上長(zhǎng)時(shí)間加熱，共晶液相中的Al原子不僅產(chǎn)生Ag-Al金屬間化合物，甚至穿越鍍銀層擴(kuò)散至不銹鋼一側(cè)界面而生成 Fe-Al金屬間化合物層，鍍銀層最終因參與共晶反應(yīng)及與Al發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ag-Al金屬間化合物而逐漸消失(見(jiàn)圖3(b))。在隨后的降溫?cái)U(kuò)散保溫過(guò)程中，Ag-Al共晶液相發(fā)生共晶反應(yīng)，生成Ag(Al)固溶體和Ag-Al金屬間化合物，另外Ag-Al金屬間化合物層、Fe-Al金屬間化合物層厚度進(jìn)一步增加(見(jiàn)圖3(c))。

由以上分析可知，采用擴(kuò)散釬焊連接6063鋁合金/鍍銀層/1Cr18Ni9Ti不銹鋼，在不銹鋼一側(cè)會(huì)生成Fe-Al、Ag-Al金屬間化合物層。當(dāng)?shù)蜏財(cái)U(kuò)散溫度為550 ℃、保溫10 min時(shí)，金屬間化合物復(fù)合層厚度達(dá)到10 μm；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至60 min，復(fù)合層厚度增加到23 μm左右。何鵬等[10]通過(guò)對(duì)相變擴(kuò)散連接界面生成金屬間化合物的數(shù)值分析表明，原子擴(kuò)散速度是制約金屬間化合物相生長(zhǎng)的主要因素，而原子擴(kuò)散速度與溫度和時(shí)間有著密切的關(guān)系。

當(dāng)使用擴(kuò)散釬焊、釬焊、擴(kuò)散焊和接觸反應(yīng)釬焊等焊接方法連接異種材料時(shí)，界面反應(yīng)層的生長(zhǎng)，特別是金屬間化合物反應(yīng)層的增厚對(duì)接頭性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響[11?14]。因此，分析和研究界面金屬間化合物的形成及長(zhǎng)大規(guī)律，進(jìn)而在焊接過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止其快速生長(zhǎng)，甚至將金屬間化合物反應(yīng)層厚度限制在特點(diǎn)的范圍內(nèi)，這對(duì)于提高焊接接頭的致密性和力學(xué)性能非常重要。

大量研究表明[15?16]，界面金屬間化合物反應(yīng)層厚度(X)與焊接時(shí)間的平方根成正比，即

圖3 Ag-Al共晶反應(yīng)及化合物生成過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagrams of Ag-Al eutectic reaction and formation process of compound: (a) First stage of diffusion;(b) Intermediate stage of diffusion brazing; (c) Final stage of diffusion brazing

式中：K為反應(yīng)常數(shù)，t為擴(kuò)散釬焊低溫保溫時(shí)間。

其中K與溫度之間的關(guān)系可表示如下：

式中：K0為與溫度有關(guān)的系數(shù)；Q為反應(yīng)層生長(zhǎng)激活能；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J·mol?1·K?1)；T為低溫?cái)U(kuò)散加熱溫度。

將式(2)代入式(1)可得：

對(duì)式(3)兩邊取自然對(duì)數(shù)得

以lnX與1/T作圖，得一直線，該直線的斜率即為?Q/R，在 lnX軸上的截距即為1/2lnt+lnk0。lnX與1/T的關(guān)系曲線如圖4所示。

經(jīng)擬合后的lnX與1/T直線方程可表示為

即

因此，在任意給定的擴(kuò)散釬焊低溫保溫溫度下，可以用式(7)對(duì)不銹鋼界面金屬間化合物的厚度進(jìn)行初步估算，以確立低溫?cái)U(kuò)散溫度與保溫時(shí)間的最佳偶合值。

圖4 金屬間化合物厚度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between temperature and thickness of intermetallics

3 結(jié)論

1) 在合適的工藝參數(shù)條件下，接頭組織致密?？拷讳P鋼一側(cè)為Fe-Al化合物層，靠近鋁合金一側(cè)主要是Ag(Al)固溶體，焊縫中心區(qū)域由Ag-Al化合物和Ag(Al)固溶體混合而成。隨著低溫?cái)U(kuò)散保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，化合物層厚度增加，Ag在鋁合金基體一側(cè)富集，出現(xiàn)晶界滲透現(xiàn)象。

2) Fe-Al和Ag-Al金屬間化合物的出現(xiàn)具有先后次序，由于Al原子擴(kuò)散路徑的緣故，首先產(chǎn)生Ag-Al金屬間化合物，然后共晶液相中的Al原子穿越Ag-Al金屬間化合物層和殘余鍍銀層擴(kuò)散至不銹鋼一側(cè)，與Fe原子生成Fe-Al金屬間化合物，即Fe-Al金屬間化合物的產(chǎn)生具有延遲特性。

3) 在任意給定的擴(kuò)散釬焊低溫保溫溫度和時(shí)間條件下，可以通過(guò)對(duì)化合物層厚度進(jìn)行初步估算。

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(編輯 龍懷中)

Diffusion brazing of Al/Ag plating layer/steel and growth behavior of interface compound

WU Ming-fang1,2, SI Nai-chao1, CHEN Jian2
(1. School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

TG454

A

1004-0609(2010)06-1209-05

江蘇省研究生創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CX08S_008Z)

2009-01-05；

2010-01-18

吳銘方, 教授; 電話: 0511-84401185; E-mail: Wu_MingFang@163.com