中溫自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯耐高溫老化性能分析

趙 歡，程方杰,2，齊書(shū)梅，肖 兵，姚俊峰

(1 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072;2 天津大學(xué) 現(xiàn)代連接技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

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中溫自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯耐高溫老化性能分析

趙 歡1，程方杰1,2，齊書(shū)梅1，肖 兵1，姚俊峰1

(1 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072;2 天津大學(xué) 現(xiàn)代連接技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

采用微小力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)高溫老化的中溫自反應(yīng)精密釬焊鋁蜂窩芯接頭進(jìn)行拉剪性能測(cè)試，并利用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)其進(jìn)行顯微組織形貌觀察和成分分析，研究接頭組織及成分變化與其耐高溫老化性能的關(guān)系。結(jié)果表明：利用1060鋁箔和鋁合金復(fù)合釬焊板所制備的鋁蜂窩芯在200℃高溫老化12，24，36h后拉剪強(qiáng)度與未老化時(shí)相比均無(wú)明顯下降，且接頭的薄弱部分為靠近釬焊接頭的母材部分。鋁蜂窩芯接頭組織形貌及成分分析顯示，高溫老化對(duì)釬縫組織中金屬Zn，Sn含量影響不大且無(wú)新的化合物相形成；釬縫組織及成分不發(fā)生明顯變化是蜂窩芯接頭耐高溫老化的主要原因。

中溫自反應(yīng)釬焊；鋁蜂窩芯；高溫老化；釬縫組織

鋁蜂窩結(jié)構(gòu)采用的是三明治仿生結(jié)構(gòu)，具有剛度高、密度低、平整度高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足輕量化、低能耗、高效率的要求，在建筑裝飾、高速列車(chē)和航天飛行器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。傳統(tǒng)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)普遍采用有機(jī)膠體粘接工藝[4]，接頭處只能形成物理結(jié)合，使蜂窩芯的性能受制于膠黏劑，應(yīng)用領(lǐng)域、工作環(huán)境和使用壽命等也受到限制[5，6]。有關(guān)蜂窩結(jié)構(gòu)的耐老化性能方面研究指出，傳統(tǒng)酚醛樹(shù)脂制造的Nomex紙蜂窩芯在180℃老化24h以上后性能會(huì)逐步下降[7]；J-188膠料膠粘Al-Al結(jié)構(gòu)在200℃老化24h后剪切強(qiáng)度與常溫相比下降了25%左右[8]，且剪切強(qiáng)度偏低，不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。鋁合金釬焊則可以在接頭處形成冶金結(jié)合，且由于變形小、精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在航空、電子、汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9-11]。但傳統(tǒng)Nocolok釬劑的釬焊溫度接近600℃[12，13]，超過(guò)了多半鋁合金的過(guò)燒溫度，會(huì)造成母材軟化，無(wú)法保證焊后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。相比之下，中溫自反應(yīng)精密釬焊則是在不添加釬料的情況下，靠釬劑中的活性物質(zhì)與被焊母材的可控界面反應(yīng)形成的液體金屬薄層來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的釬焊連接，解決了釬焊溫度過(guò)高、釬料預(yù)置困難和對(duì)母材的溶蝕等問(wèn)題，有很大的應(yīng)用潛力。目前，關(guān)于釬焊鋁蜂窩結(jié)構(gòu)耐高溫老化性能方面的研究鮮有報(bào)道，對(duì)中溫自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯耐高溫老化性能進(jìn)行進(jìn)一步研究很有必要。

本工作對(duì)自行制備的中溫自反應(yīng)精密釬焊鋁蜂窩芯進(jìn)行高溫老化處理，并利用微小力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其接頭進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，得到鋁蜂窩芯高溫老化前后的剪切強(qiáng)度；利用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)釬縫組織形貌及成分進(jìn)行分析，獲取組織成分與耐高溫老化性能之間的關(guān)系，研究其耐高溫老化的微觀機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)采用兩種不同材質(zhì)的中溫自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯，蜂窩芯具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。蜂窩芯材質(zhì)分別為1060鋁箔(Ⅰ)和鋁合金復(fù)合釬焊板(Ⅱ)，其中，鋁合金復(fù)合釬焊板的芯板是3003鋁合金，包覆層是4045鋁合金，具體參數(shù)如表2[10]所示。釬焊方法為爐中釬焊，釬劑為加入了ZnCl2和SnCl2的中溫?zé)o腐蝕AlF3-CsF共晶熔鹽自反應(yīng)釬劑，釬焊溫度570℃，釬焊時(shí)間15min。

表1 蜂窩芯規(guī)格參數(shù)

Table 1 Specifications of honeycomb cores

NoThickness/mmHeight/mmSidelengthofcell/mmⅠ0.1Ⅱ0.2206

表2 鋁合金的化學(xué)成分及物理性能[10]

Table 2 Chemical compositions and physical properties of aluminum alloy[10]

AlloygradeMassfractionofcharacteristicelement/%Tensilestrength/MPaYieldstrength/MPaSolidus-liquidus/℃Alloystate106099.6Al≥75≥35646-657H243003(corematerial)1.2Mn-0.12Cu*4045(skinmaterial)10Si-0.8Fe-0.3Cu*≥140≥115643-654577-590H24

Note:*Al-Bal.

高溫老化實(shí)驗(yàn)在HMX1100-30A箱式氣氛爐中進(jìn)行，將自行制備的兩種不同材質(zhì)的中溫自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯在200℃分別老化0(焊態(tài))，12，24h和36h后取出。

拉剪實(shí)驗(yàn)使用的是Instron Model 5848 Micro Tester測(cè)試系統(tǒng)，配合軟件Instron Fast Track 2 Software進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)。將高溫老化后的兩種蜂窩芯進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)做3次，取平均值，得到其剪切強(qiáng)度，對(duì)比研究蜂窩芯接頭耐高溫老化性能。

將經(jīng)過(guò)同樣高溫老化處理的鋁蜂窩芯接頭制備為金相試樣，采用SUPRA 55/VP場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及XM2能譜儀對(duì)接頭組織顯微形貌及微區(qū)成分進(jìn)行分析，進(jìn)而研究接頭耐高溫老化性能的微觀機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫老化對(duì)蜂窩芯接頭剪切強(qiáng)度的影響

傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)在-55～175℃范圍內(nèi)應(yīng)用最多，故選取稍高于常用服役溫度的200℃進(jìn)行高溫老化實(shí)驗(yàn)。圖1(a)是中溫自反應(yīng)精密釬焊的鋁蜂窩芯實(shí)物圖，拉剪試樣截取自圖1(a)中虛線(xiàn)所示部位，將接頭展平后進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，如圖1(b)所示。利用微小力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)高溫老化處理的鋁蜂窩芯接頭進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，圖2是鋁蜂窩芯在200℃經(jīng)過(guò)不同時(shí)間高溫老化后的拉剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖2可以看出，不同的拉剪實(shí)驗(yàn)溫度下，經(jīng)過(guò)不同老化時(shí)間的釬焊鋁蜂窩芯Ⅰ的拉剪強(qiáng)度范圍為40～55MPa，蜂窩芯Ⅱ的拉剪強(qiáng)度為60～90MPa；對(duì)比不同拉剪實(shí)驗(yàn)溫度下的鋁蜂窩芯剪切強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)蜂窩芯拉剪強(qiáng)度影響不大；隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種蜂窩芯的剪切強(qiáng)度均沒(méi)有呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，具有良好的耐高溫老化性能。而且，傳統(tǒng)鋁蜂窩芯普遍采用有機(jī)膠體粘接工藝[8，14，15]，接頭剪切強(qiáng)度會(huì)隨服役溫度升高而降低[6]，其中，典型的SY-13膠黏劑膠黏鋁蜂窩芯室溫下剪切強(qiáng)度為25.0～28.0MPa，150℃時(shí)為9.5～11.0MPa[16]，170℃時(shí)為7.0MPa；J-71芯條膠膠黏鋁蜂窩芯室溫下剪切強(qiáng)度為30.0MPa，150℃為8.0MPa[17]?，F(xiàn)今市面上大多數(shù)膠黏劑膠黏的鋁蜂窩芯室溫剪切強(qiáng)度大約為25MPa，一般其使用溫度不超過(guò)150℃，且在150℃時(shí)剪切強(qiáng)度不超過(guò)20MPa。相比之下，本工作采用中溫自反應(yīng)精密釬焊制備的兩種蜂窩芯剪切強(qiáng)度明顯高于膠黏鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，且高溫老化后剪切強(qiáng)度無(wú)明顯下降，具有良好的耐高溫老化性能。圖3給出了不同材質(zhì)鋁蜂窩芯拉剪實(shí)驗(yàn)典型斷口照片。由圖3可以看出，斷裂部位均出現(xiàn)在靠近釬焊接頭的母材部位。

圖1 自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯(a)及其接頭拉剪實(shí)驗(yàn)(b)

圖2 不同拉剪實(shí)驗(yàn)溫度下鋁蜂窩芯接頭拉剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)鋁蜂窩芯Ⅰ；(b)鋁蜂窩芯Ⅱ

圖3 鋁蜂窩芯接頭拉剪實(shí)驗(yàn)宏觀斷口 (a)鋁蜂窩芯Ⅰ；(b)鋁蜂窩芯Ⅱ

2.2 蜂窩芯接頭耐高溫老化微觀機(jī)理分析

為進(jìn)一步探討自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯耐高溫老化的微觀機(jī)理，將經(jīng)過(guò)同樣高溫老化處理的鋁蜂窩芯制備金相試樣，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)接頭顯微組織形貌及其微區(qū)成分進(jìn)行分析。圖4給出了未經(jīng)老化處理且成形良好的鋁蜂窩芯接頭部位組織形貌。圖4(a)是鋁蜂窩芯Ⅰ完整的接頭組織形貌，釬縫組織的中間白亮部分為Sn金屬，呈分散分布狀態(tài)，具體形態(tài)如圖5(a)所示。圖4(b)是鋁蜂窩芯Ⅱ接頭組織形貌，可以看出有部分夾渣缺陷，釬縫組織上分布著條狀的鐵硅組織、Sn金屬和多邊形的錳鐵相，具體形態(tài)如圖6(a)所示，其中白亮部分為Sn金屬，近六邊形的部分為釬縫組織中的錳鐵相。高溫老化后的接頭組織形貌分別如圖5，6所示，可以看出，老化后接頭組織形貌無(wú)明顯變化。表3，4給出了不同老化時(shí)間后釬縫組織的金屬Sn部分及其附近位置的成分。由于能譜數(shù)據(jù)受金屬Sn部分的大小、厚薄影響，Sn含量有一定程度的波動(dòng)屬正?，F(xiàn)象，所以可認(rèn)為釬縫組織成分無(wú)明顯變化。

圖4 鋁蜂窩芯接頭部位組織形貌 (a)鋁蜂窩芯Ⅰ；(b)鋁蜂窩芯Ⅱ

圖5 鋁蜂窩芯Ⅰ高溫老化不同時(shí)間后釬縫組織形貌圖 (a)200℃/0h(焊態(tài))；(b)200℃/12h；(c)200℃/24h；(d)200℃/36h

圖6 鋁蜂窩芯Ⅱ高溫老化不同時(shí)間后釬縫組織形貌圖 (a)200℃/0h(焊態(tài))；(b)200℃/12h；(c)200℃/24h；(d)200℃/36h

圖7 Al-Zn (a)及Al-Sn (b)二元相圖

自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯是采用添加了ZnCl2和SnCl2的CsF-AlF3釬劑釬焊的蜂窩芯接頭，接頭間隙較小，流入的熔化的釬劑較少，熔化釬劑去除母材氧化膜后沒(méi)有足夠的推動(dòng)力將釬劑殘?jiān)推扑榈难趸ね耆珟С鲡F縫，從而殘留在接頭處形成夾渣缺陷，如圖4(b)所示。由圖7(a)中Al-Zn二元相圖可知， Zn在Al中的固溶度極大，在共晶溫度381℃時(shí)達(dá)到最大固溶度83%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右。所以，在釬焊過(guò)程中，釬劑中的重金屬離子Zn2+與母材Al發(fā)生置換反應(yīng)形成金屬Zn，置換出的金屬Zn除與金屬Sn形成Zn-Sn低熔點(diǎn)共晶外，還會(huì)迅速向母材Al中擴(kuò)散，高溫老化處理也不會(huì)對(duì)釬縫中金屬Zn含量產(chǎn)生影響。同時(shí)，由圖7(b)Al-Sn相圖可以看出，Sn在Al中的固溶度很小，所以釬焊時(shí)析出的金屬Sn在釬縫冷卻凝固過(guò)程中留在了晶界處，除了形成少量的Zn-Sn共晶外，大部分以金屬Sn的形式沿晶粒邊界分布，高溫老化處理無(wú)法使其向母材進(jìn)一步擴(kuò)散。結(jié)合圖5，6可以看出，釬縫組織形貌在高溫老化前后無(wú)明顯變化，沒(méi)有新的化合物相出現(xiàn)。所以，高溫老化條件下釬縫位置的成分和組織沒(méi)有 發(fā)生變化是鋁蜂窩芯具有良好的耐高溫老化性能的原因。此外，靠近釬焊接頭的母材部分可能在鋁蜂窩芯條沖壓成型過(guò)程中受到機(jī)械損傷的作用，為整個(gè)接頭的薄弱部分，在拉伸時(shí)最易斷裂，如圖3斷口圖所示。

表3 鋁蜂窩芯Ⅰ電鏡能譜分析結(jié)果

Table 3 EDS analysis of aluminum honeycomb coreⅠ

Agingtime/hPositionMassfraction/%AlSnSiZn0(as-welded)19.8690.14--299.73-0.27-1239.0590.95--499.66-0.34-2458.0891.580.34-699.67-0.33-3677.7691.310.93-899.73-0.27-

表4 鋁蜂窩芯Ⅱ電鏡能譜分析結(jié)果

Table 4 EDS analysis of aluminum honeycomb coreⅡ

Agingtime/hPositionMassfraction/%AlSnSiZn0(as-welded)15.3797.110.52-298.95-1.05-1230.6298.840.53-498.77-1.23-2452.9397.07--698.65-1.35-3672.0797.150.78-898.91-1.09-

3 結(jié)論

(1)利用1060鋁箔和鋁合金復(fù)合釬焊板制備的鋁蜂窩芯在200℃高溫老化后，兩種鋁蜂窩芯拉剪強(qiáng)度分別為40～55MPa及60～90MPa，與未高溫老化接頭的剪切強(qiáng)度相比無(wú)明顯下降，其耐老化性能明顯高于膠黏蜂窩芯。自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯接頭的薄弱部分為靠近釬焊部位的母材部分。

(2)采用添加了ZnCl2和SnCl2的CsF-AlF3中溫自反應(yīng)釬劑釬焊1060鋁箔和鋁合金復(fù)合板制備鋁蜂窩芯接頭，接頭處Zn與Al固溶度極大，已迅速向母材處擴(kuò)散，高溫老化對(duì)釬縫中Zn含量影響不大；而Sn在Al中的固溶度極小，除少部分與Zn形成Sn-Zn共晶，大部分以金屬Sn形式沿晶界分布，200℃下高溫老化既不能使其有效擴(kuò)散，也不形成新的化合物相，所以，高溫老化后釬焊接頭組織及成分均無(wú)明顯變化是釬焊鋁蜂窩芯耐高溫老化的主要原因。

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Analysis on High Temperature Aging Property of Self-brazing Aluminum Honeycomb Core at Middle Temperature

ZHAO Huan1，CHENG Fang-jie1,2，QI Shu-mei1，XIAO Bing1，YAO Jun-feng1

(1 School of Materials Science and Engineering, Tianjin University,Tianjin 300072, China;2 Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Tension-shear test was carried out on middle temperature self-brazing aluminum honeycomb cores after high temperature aging by micro mechanical test system, and the microstructure and component of the joints were observed and analyzed using scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy to study the relationship between brazing seam microstructure, component and high temperature aging properties. Results show that the tensile-shear strength of aluminum honeycomb core joints brazed by 1060 aluminum foil and aluminum composite brazing plate after high temperature aging(200℃/12h, 200℃/24h, 200℃/36h) is similar to that of as-welded joints, and the weak part of the joint is the base metal which is near the brazing joint. The observation and analysis of the aluminum honeycomb core microstructure and component show that the component of Zn, Sn at brazing seam is not much affected and no compound phase formed after high temperature aging; therefore, the main reason for good high temperature aging performance of self-brazing aluminum honeycomb core is that no obvious change of brazing seam microstructure and component occurs.

middle temperature self-brazing; aluminum honeycomb core; high temperature aging; brazing seam microstructure

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.11.006

TG454

A

1001-4381(2016)11-0039-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275351)；天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(13JCZDJC33500)

2015-09-06；

2016-08-22

程方杰(1971—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)連接工藝方法，聯(lián)系地址：天津市津南區(qū)海河教育園雅觀路135號(hào)天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(300350)，E-mail:chfj@tju.edu.cn