Al86Ni9Y5非晶薄帶與純鋁的擴散連接

沈博智，陸 琪，吳超輝，孫 慧，張英明，袁子洲

（蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050）

Al86Ni9Y5非晶薄帶與純鋁的擴散連接

沈博智，陸 琪，吳超輝，孫 慧，張英明，袁子洲

（蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050）

主要研究了Al86Ni9Y5非晶薄帶與純鋁的擴散焊連接工藝及其連接界面的原子擴散情況。實驗采用真空急冷甩帶法制備出帶厚為50μm、帶寬為3mm的Al86Ni9Y5非晶薄帶。非晶薄帶和鋁箔經(jīng)表面處理后放入真空擴散焊設(shè)備中進行擴散連接，連接后進行XRD測試和電子探針分析。實驗分析表明：擴散連接壓力和溫度對接頭質(zhì)量有重要影響；同等連接條件下，非晶合金中各元素的擴散能力較差，Ni元素的擴散程度高于其他元素；連接后非晶沒有發(fā)生晶化，連接界面處非晶合金與純鋁也沒有發(fā)生反應(yīng)。

非晶薄帶；擴散焊；塑性變形

1 前言

非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃，具有短程有序、長程無序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。固態(tài)時原子的三維空間呈拓撲無序排列，并在一定溫度范圍內(nèi)這種狀態(tài)保持相對穩(wěn)定[1]。與晶態(tài)合金相比，非晶合金具有許多優(yōu)異的性能，如高強度、高硬度、高電阻、耐蝕及耐磨等。然而非晶合金在工程應(yīng)用中面臨的一個主要問題就是非晶合金制備尺寸的限制，目前人們已經(jīng)提出了一些獲得高非晶形成能力（GFA）的經(jīng)驗準則[2，3]，雖然這些經(jīng)驗準則在開發(fā)大塊非晶合金時具有重要的價值，然而非晶合金的成分設(shè)計一直沒有成熟的理論，滿足工程需要的大尺寸非晶合金制品的制備非常困難。因此，通過連接工藝獲得較大尺寸的非晶合金，成為制備大塊非晶合金并擴大其工程應(yīng)用范圍的一個重要方法。近些年來國內(nèi)外在非晶合金連接領(lǐng)域取得了一系列的研究成果，主要包括：爆炸焊、電子束焊、電火花焊、激光焊、多層箔片自蔓延放熱反應(yīng)焊接、超聲波焊、冷軋焊、攪拌摩擦焊和摩擦焊等[4-13]。然而到目前為止，非晶合金的擴散連接研究還相對較少，這一工作還處于起步階段。本文進行了Al86Ni9Y5非晶薄帶與純鋁的擴散連接實驗，討論了工藝參數(shù)對擴散連接的影響和界面元素的擴散情況。

2 實驗方法

選用Al86Ni9Y5非晶薄帶作為實驗材料，所用原材料純度大于99.9%。采用水冷銅坩堝懸浮熔煉設(shè)備熔煉母合金（為了保證母合金成分均勻，母合金熔煉五遍），用真空急冷甩帶法制備出帶厚為50μm、帶寬為3mm的Al86Ni9Y5非晶薄帶。熔煉和甩帶過程均在氬氣保護氣氛中進行。

擴散焊實驗在VDBF-250型真空擴散焊試驗機中氬氣保護氣氛下進行，選用的實驗參數(shù)范圍為：溫度230℃、260℃，壓力 0.5MPa、1MPa、1.5MPa，時間 45min。焊接前，對Al片(厚度為160μm，純度為99.999%）和Al86Ni9Y5非晶薄帶依次進行砂紙打磨、超聲波脫脂，目的是去掉試樣表面的氧化物，使試樣表面有較高的表面光潔度。試樣經(jīng)過表面處理后，為避免再次氧化，盡快放入擴散焊機的真空室進行焊接。通過D/max-2400型大功率轉(zhuǎn)靶衍射儀（XRD）對擴散焊后試樣進行分析，觀察焊接后非晶薄帶是否晶化。焊縫周圍的元素擴散情況用電子探針和能譜儀進行分析。

3 結(jié)果與分析

（1）XRD 分析

圖1為焊接前Al86Ni9Y5薄帶的XRD衍射分析結(jié)果。圖中沒有尖銳的衍射峰，2θ角為38°附近有一個典型的非晶漫散射峰，證明制備出的Al86Ni9Y5薄帶是完全非晶結(jié)構(gòu)。

圖2為擴散焊接完成后焊縫區(qū)的XRD衍射分析，圖中除了鋁元素的衍射峰并沒有出現(xiàn)其它相應(yīng)的晶態(tài)衍射峰，證明擴散焊接過程中非晶薄帶并沒有出現(xiàn)晶化現(xiàn)象，同時接觸界面也沒有發(fā)生反應(yīng)。

（2）電子探針/能譜分析

采用電子探針/能譜分析觀察擴散焊連接界面和元素擴散行為。圖3為連接溫度230℃、連接時間45min、連接壓力分別為0.5MPa和1.5MPa條件下的電子探針照片及線掃描圖譜。由圖3（a）和圖3（b）我們可以看出擴散焊焊縫都有氧化層的存在，這是由于Al元素非常活潑，處理好的潔凈試樣表面一旦與空氣接觸在10-12s級的時間內(nèi)便會生成厚度達到納米的穩(wěn)定性極高的氧化膜，阻礙界面元素的擴散[14]。氧化膜的存在使得界面之間的元素互擴散困難，不能獲得較好的擴散焊焊縫。實驗時可通過施加合適的壓力破碎表面氧化膜使試樣基體顯露出來達到近距離原子尺度接觸。在0.5MPa的焊接壓力下焊接時，試樣表面的表面氧化層沒有較好的破壞，如圖3（a）純鋁和靠近純鋁一側(cè)的非晶帶氧化都相當嚴重，非晶帶幾乎被完全氧化掉了。當其它條件不變焊接壓力增加到1.5MPa時，焊縫雖然仍有大量的氧化層，但是焊縫質(zhì)量有所改善，沒有斷裂層的存在。

線掃描能譜分析排除了其它元素的干擾只保留了Al、Ni、Y三種元素的能譜曲線，其中紅色、藍色、紫色線譜分別為Al、Ni、Y三種元素的能譜曲線。兩個能譜曲線圖表明焊縫中三種元素含量極低，說明都沒有形成良好的焊接接頭。Ni、Y元素向純鋁中的擴散比較穩(wěn)定，但擴散量非常有限，相對來說Ni元素的擴散程度高一些。

圖4是在260℃-45min條件下，連接壓力分別為0.5MPa和1.5MPa條件下的電子探針照片及線掃描圖譜。在時間和壓力一定的情況下，把連接溫度提高到260℃（如圖4（a）所示）焊縫質(zhì)量得到了一定的改善，焊縫中有一層均勻的氧化層，但氧化程度沒有230℃時的嚴重，這是由于適當提高焊接溫度有利于試樣的塑性變形，而塑性變形的增大促進試樣表面氧化膜的破碎分離使界面接觸更加緊密，擴散連接后沒有出現(xiàn)圖3（a）那樣的非晶帶完全氧化的情況。

在260℃-1.5MPa-45min焊接條件下，試樣的塑性變形量進一步加大，氧化膜破碎更加充分，純凈的非晶合金和純鋁達到更加充分的近距離接觸，促進了元素之間的互擴散。另一方面，在相對較高的溫度下可以獲得較高的擴散系數(shù)，從而使元素擴散更加充分得到較好擴散連接接頭。

從四個不同擴散焊接條件下的線掃描能譜分析來看，260℃-1.5MPa-45min焊接條件下元素擴散最充分，非晶合金中的元素Ni向純鋁的擴散相對較好，且非晶合金-非晶合金沒有出現(xiàn)元素的斷層現(xiàn)象說明擴散焊接時氧化較少，焊接效果較好。

4 討論

非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)致密，并且其表面非常穩(wěn)定不易發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)表面處理后又會很快生成致密的鈍化膜；純Al在空氣中容易氧化，在極短的時間里就會形成一層很薄的Al2O3氧化膜。通過擴散焊工藝參數(shù)的改變促進氧化層的破碎和排出，改善焊縫質(zhì)量，提高界面原子的互擴散。

晶態(tài)合金的擴散連接是通過材料的塑性流動和界面原子的擴散再結(jié)晶而實現(xiàn)的。晶態(tài)合金擴散連接通常分為3個階段：第一階段為塑性變形使連接界面接觸；第二階段為擴散、界面遷移和孔洞消失；最后階段為界面和孔洞消失[15]。然而對非晶合金來講：第一，非晶合金的結(jié)構(gòu)特殊，無晶界和位錯等晶體缺陷，通常沒有足夠的晶界作為原子擴散的通道；第二，非晶合金的原子擴散能力??；第三，非晶合金的表面非常穩(wěn)定不易發(fā)生反應(yīng)，并且潔凈的表面能快速形成致密的鈍化膜。因此，非晶合金的擴散連接機理同晶態(tài)合金不同，并且連接的難度也較晶態(tài)合金的大。文獻[16]基于塊體非晶合金過冷液相區(qū)的超塑性和孔洞收縮模型，提出了BMGs的理論擴散連接模型。認為非晶合金的擴散連接過程有兩個階段構(gòu)成，即塑性變形階段和孔洞收縮階段，而孔洞收縮是由原子擴散和塑性變形完成的。

在壓力作用下，材料發(fā)生塑性變形，表面擴展，連接界面處兩種材料表面的氧化膜破裂，純凈的非晶合金和Al基材顯露出來。當連接時間和連接壓力相同時，連接溫度越高，材料的變形量越大，氧化膜破碎就越充分，則純凈的非晶合金和Al能夠在較大面積上達到近距離接觸，實現(xiàn)元素的互擴散；另一方面，元素擴散是一個熱激活過程，較高的溫度下，擴散系數(shù)提高，原子的擴散能力越大，從而也有利于元素的擴散。

5 結(jié)論

（1）擴散連接前后沒有發(fā)生非晶合金的晶化，焊縫附近非晶合金與純鋁也沒有發(fā)生反應(yīng)。

（2）擴散焊接完成后焊縫中有氧化層的存在，260℃-1.5MPa-45min條件下焊縫中的氧化層較薄，形成了相對較好的焊接接頭，元素擴散充分。其它焊接條件下焊縫中的氧化層較厚，且焊縫中相應(yīng)元素含量極少，沒有形成焊接接頭。

（3）擴散焊接溫度和時間一定時，提高焊接壓力使材料的塑性變形量更大，氧化膜破碎就越充分，有利于形成良好的焊接接頭；壓力和時間一定，較高的焊接溫度下，擴散系數(shù)提高，原子擴散能力就越大，有利于元素的擴散形成良好的焊接接頭。

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Diffusion Bonding of Al86Ni9Y5Amorphous Ribbon w ith Pure Alum inum

SHEN BoZhi，LU Qi，WU Chaohui，SUN Hui，ZHANG YingMing，YUAN ZiZhou
（State Key Lab.of Gansu Advanced Non-ferrous Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

The d iffusion bond ing technology of Al86Ni9Y5amorphous ribbon w ith pure alum inum and the p roliferation behavior of atom s at its connec tion interface have been stud ied.The Al86Ni9Y5amorphous ribbon w ith a thickness of 50μm，a bandw id th of 3mm had been p repared by melt sp inning.After surface treatment，the amorphous ribbon and alum inum foil have been put into vacuum d iffusion weld ing equipm ent and connected before by XRD analysis and electron m icrop robe analysis.Experimental results showed that the d iffusion bond ing p ressure and tem perature had a major im pac t on the joint quality.Under same connec tion conditions each element of amorphous alloy had poor d iffusion ability though the diffusion level of Ni was higher than other elements.After connec tion，the amorphous had not crystallized and no react occurred at the interface of alum inum and amorphous alloy.

Amorphous ribbon；Diffusion weld ing；Plastic deformation

TG139+.8;

A；

1006－9658（2011）02－3

國家自然科學基金資助項目（項目編號：No.51061008）

2010－11－10

2010－167

沈博智（1984-），男，工學碩士，主要從事大塊非晶合金的晶化研究

袁子洲（1964-），男，工學博士，教授，主要從事非晶態(tài)合金的晶化和超塑性，消失模工藝等方面的研究工作