石墨烯對(duì)6063鋁合金與304鋼高頻感應(yīng)釬焊組織和性能影響

管曉光， 蔡佳明， 王帆，周連臣 ，劉全榮

（1.黑龍江科技大學(xué)材料學(xué)院，哈爾濱 1500022； 2.東北輕合金股份有限公司，哈爾濱 150060 ； 3.浙江慈溪市匯麗機(jī)電股份有限公司，慈溪 315333）

1 引言

石墨烯作為21世紀(jì)極具魔力的新型的二維納米材料，具有超輕薄、超級(jí)的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度、優(yōu)良的強(qiáng)韌性、良好的光學(xué)特性、超疏水性和超親油性性等優(yōu)勢(shì)日益成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。尤其是在移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池等領(lǐng)域逐步凸現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值[1-4]。異種材料焊接對(duì)于強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)合選用高頻感應(yīng)釬焊是較為理想的焊接方法。為了提高接頭強(qiáng)度，從釬料、釬焊方法、過渡層、焊后熱處理等多方面開展了相關(guān)研究工作。從已有研究來看[5-9]鋁合金和不銹鋼高頻感應(yīng)釬焊，石墨烯添加對(duì)異質(zhì)材料高頻感應(yīng)釬焊研究不多。為拓展石墨烯的應(yīng)用，選用6063鋁合金與304不銹鋼為研究對(duì)象，研究石墨烯對(duì)6063鋁合金與304不銹鋼高頻感應(yīng)釬焊接頭組織和性能的影響，為拓展石墨烯在釬焊領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定借鑒和參考。

2 試驗(yàn)材料及過程

選用6063鋁合金和304不銹鋼，其化學(xué)成分見表1和表2。采用的高頻感應(yīng)釬焊工藝參數(shù)為：330A，27s，購置用鋁硅焊膏（Al88Si12），加入0%，0.5%，1%石墨烯，制作不同比例的石墨烯焊膏。選用搭接接頭進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊，搭接量為3mm、釬焊間隙0.1mm。用 蔡司顯微鏡觀察釬焊接頭顯微組織形貌、用HVST-1000型顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)、用DX-2700B型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析、用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉剪試驗(yàn)、用CS3500型三電極電化學(xué)工作站選用3.5%NaCl中性溶液進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 6063 aluminum alloy

表2 304不銹鋼化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of 304 stainless steel

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同石墨烯添加下的X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖1所示為330A，27s高頻感應(yīng)釬焊物相，由圖1可知，石墨烯含量不同對(duì)釬焊接頭物相組成影響不大，其釬縫區(qū)主要由先共晶的的α-Al、Fe相，以及Al9Si和少量的FeAl3金屬間化合物組成，當(dāng)石墨烯為1%時(shí)出現(xiàn)C峰。但隨著石墨烯含量的增加，Al9Si和FeAl3衍射峰強(qiáng)度變高說明Al9Si和FeAl3含量有所增加。分析可能原因是石墨烯導(dǎo)熱性好，隨石墨烯含量的增加熱傳導(dǎo)速度提高，促進(jìn)Fe、Al、Si等元素的相互擴(kuò)散，生成化合物變多。但是當(dāng)1%石墨烯時(shí)，由于石墨烯含量較多擴(kuò)散變快發(fā)生團(tuán)聚，溫度過高發(fā)生碳化，出現(xiàn)碳峰。

圖1 不同石墨烯含量的釬縫區(qū)物相Fig.1 Phase of brazed joint with different graphene content

3.2 不同石墨烯添加下的金相試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖2所示，不同石墨烯添加影響下的金相顯微組織形貌。由圖2可知，隨著石墨烯含量的增加，黑色AlSi共晶物先增加后減少，釬縫界面鋁合金側(cè)要好于304不銹鋼的。分析可能原因是，由于存在石墨烯良好的導(dǎo)熱性，在高頻感應(yīng)熱量熱傳導(dǎo)速率增大，F(xiàn)e、Al、Si擴(kuò)散速度變快，F(xiàn)e原子向Al側(cè)擴(kuò)散FeAl3合金層厚度增大。同時(shí)鋁硅AlSi共晶含量也增加。不銹鋼側(cè)Fe原子減少，界面厚度逐漸降低。而且石墨烯作為納米增強(qiáng)顆?；煸阝F縫中起到釘扎作用抑制晶粒長(zhǎng)大，二者競(jìng)爭(zhēng)作用，促使釬縫區(qū)晶粒先粗大后細(xì)小，但是1%石墨烯焊膏焊接的焊件，石墨烯含量增多發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致碳化，所以FeAl3略有增加。

3.3 不同石墨烯添加下的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖3所示為不同石墨烯添加影響下的顯微硬度曲線。由圖3可知釬縫區(qū)顯微硬度隨著石墨烯含量的增加，釬縫組織由α-Al轉(zhuǎn)化為鋁硅共晶和FeAl3，顯微硬度有所增加。主要方面是因?yàn)槭┍旧碜鳛榧{米增強(qiáng)顆粒，具有阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用，細(xì)化晶粒。但隨著石墨烯含量增加，釬縫區(qū)硬度逐漸增加，再降低，是因?yàn)?，硬度隨著石墨烯含量增加而增加，但是如果石墨烯含量過度會(huì)導(dǎo)致石墨烯團(tuán)聚導(dǎo)致石墨烯失效，無法強(qiáng)化釬縫，所以顯微硬度降低。所以0.5%石墨烯焊膏焊接的試件顯微硬度最高達(dá)337.65HV，0%石墨烯焊膏焊接的試件顯微硬度最低。顯微硬度曲線整體來看提升不太明顯。

圖3 不同石墨烯含量下顯微硬度曲線Fig.3 Microhardness curve under different graphene content

如圖4所示，為不同石墨烯添加影響下的抗剪強(qiáng)度柱狀圖。由圖4隨石墨烯含量的增加，抗剪強(qiáng)度先升高再降低，0%石墨烯到0.5%石墨烯抗剪強(qiáng)度變化較大。這是因?yàn)槭┚哂凶璧K晶粒長(zhǎng)大的作用，使釬縫組織細(xì)化，減少鐵鋁金屬間化合物的含量，優(yōu)秀的導(dǎo)熱性利于釬料的潤(rùn)濕鋪展。于是0%石墨烯的焊件小于0.5%石墨烯的焊件的抗剪強(qiáng)度。而1%石墨烯的焊件是因?yàn)殡S著石墨烯含量的增加，石墨烯容易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致石墨烯失效，鐵鋁金屬間化合物從而增加較大，硬脆相的存在，導(dǎo)致接頭緩解殘余應(yīng)力的能力下降。導(dǎo)致1%石墨烯的焊件抗剪強(qiáng)度小于0.5%石墨烯的焊件。

圖4 不同石墨烯下拉剪強(qiáng)度Fig.4 Pull down shear strength of different graphene

3.4 不同石墨烯添加下的電化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖5所示為不同石墨烯添加影響下的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，由圖5可知0%石墨烯焊膏的焊件自腐蝕電位較低，抗腐蝕能力較弱，分析原因是焊膏中不含石墨烯，其導(dǎo)電能力相對(duì)含石墨烯的導(dǎo)電能力弱，而且異種金屬過渡，IMC層較厚，耐蝕性較差。而釬料中加入石墨烯（0.5%，1%）后，石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性促使熱輸入加快，導(dǎo)電性增強(qiáng)，促進(jìn)異種原子的相互擴(kuò)散，均勻性提高，石墨烯作為納米材料晶界作為顆粒增強(qiáng)材料，釘扎在晶界，阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用，使釬縫組織細(xì)化和均勻。因此耐蝕性提高。但是如果石墨烯含量1%時(shí)，焊接熱傳導(dǎo)加快，石墨烯多，擴(kuò)散的石墨烯發(fā)生團(tuán)聚，擴(kuò)散作用減弱。所以較0.5%石墨烯焊膏自腐蝕電位低。綜合來看，焊0.5%石墨烯焊膏焊接試件的耐蝕性最好。

圖5 不同石墨烯（330A-27s）電化學(xué)腐蝕曲線Fig.5 electrochemical corrosion curves of different graphene (330a-27s)

4 結(jié)論

石墨烯添加（0%，0.5%，1%）的AlSi焊膏對(duì)6063鋁合金與304不銹鋼330A、27s工藝參數(shù)高頻感應(yīng)釬焊接頭組織和性能的影響如下：

1）石墨烯的添加不會(huì)改變釬焊接頭物相，但隨著石墨烯含量的增加Al9Si和FeAl3變多，當(dāng)石墨烯含量過多時(shí)，石墨烯的高導(dǎo)熱性促使其碳化。

2）在0%、0.5%、1%中石墨烯添加下的高頻感應(yīng)釬焊鋁鋼異質(zhì)接頭從能來看的抗剪強(qiáng)度和顯微硬度都隨石墨烯含量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。其中顯微硬度最高達(dá)到337.65HV，抗剪強(qiáng)度最高達(dá)到67MPa。

3）隨石墨烯含量的增加，高頻感應(yīng)釬焊接頭的耐蝕性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

綜上，石墨烯的添加有利于提高6063鋁合金和304不銹鋼高頻感應(yīng)釬焊接頭質(zhì)量，但過高反而不好，其中添加0.5%的石墨烯的釬焊接頭力學(xué)性能和耐蝕性最佳。