钎焊过程原位合成Al-Si-Cu合金及接头性能

龙伟民，路全彬，何　鹏，薛松柏，吴铭方，薛　鹏

(1 郑州机械研究所 新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001；2 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001；3 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 210016；4 江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室，江苏 镇江 212003;5 南京理工大学 材料科学与工程学院，南京 210094)



钎焊过程原位合成Al-Si-Cu合金及接头性能

龙伟民1，路全彬1，何鹏2，薛松柏3，吴铭方4，薛鹏5

(1 郑州机械研究所 新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001；2 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001；3 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 210016；4 江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室，江苏 镇江 212003;5 南京理工大学 材料科学与工程学院，南京 210094)

Al-Si-Cu基钎料熔点低、强度高，非常适用于铝合金的钎焊。但位于三元共晶成分点附近的Al-Si-Cu合金由于含有大量的CuAl2脆性金属间化合物，无法采用常规塑性加工方法成形，因此限制了其使用范围。为克服上述不足，设计一种使用AlSi-CuAl复合焊丝在钎焊过程中原位合成Al-Si-Cu钎料的方法，并对其钎焊接头组织与性能进行研究。结果表明：采用的复合焊丝外层为AlSi合金，内层为CuAl合金粉，两者熔点接近。复合钎料的加工性能远优于同成分的Al-Si-Cu钎料。使用复合焊丝感应钎焊3A21铝合金，钎焊过程中两种合金几乎同时熔化，经瞬间保温后可充分熔合并形成Al-Si-Cu钎料，获得成分均匀、界面结合良好的钎缝，钎焊接头抗剪强度高于采用常规Al-Si-Cu钎料钎焊的接头抗剪强度。

Al-Si-Cu钎料；原位合成；复合焊丝；钎焊

铝及铝合金广泛应用于电力电子、车辆、制冷和航空领域，且其应用范围在不断扩大[1-5]。钎焊是铝合金应用最广的连接方式之一，由于常用的铝基钎料液相线与被焊铝合金的固相线非常接近，铝合金钎焊时钎焊温度控制难度较大，易发生溶蚀、过烧甚至使母材熔化[1,6]。

Al-Si-Cu钎料具有熔点低、强度高、流动性好、对母材润湿性好等优点，非常适用于铝合金的钎焊[7,8]。但该钎料中CuAl2金属间化合物含量高，因而钎料脆性很大，难以进行塑性成形；如果采用快速凝固[8-10]和非晶态成形工艺等制备技术，则带来生产效率低、成本高的问题。因而该类钎料只能以铸条或粉末形态使用，给钎焊带来了很大的困难，限制了其应用范围。

针对Al-Si-Cu合金脆性大，成形加工难等问题，本研究在原位粉末合成及原位合成三元合金的基础上[11-14]，设计了采用复合焊丝原位合成Al-Si-Cu高脆合金的工艺。所用复合钎焊丝外层为塑性良好的AlSi合金，内层为CuAl合金粉，内层熔点略低于外层。钎焊过程中内外层合金发生熔合与扩散，实现原位冶金性合成新合金，获得的合金熔点低于AlSi12和CuAl60合金，合金钎缝强度高。虽然已有原位合成纳米陶瓷颗粒、涂层、复合材料等的研究报道[15-18]，但鲜有原位合成钎料特别是Al-Si-Cu钎料的报道。

本研究旨在实现低温高强钎料制备和使用的一体化，克服Al-Si-Cu合金加工困难的技术难题，降低生产成本，拓展Al-Si-Cu钎料的应用范围，实现高强度铝基钎料在工业中的推广应用。

1　实验材料与方法

实验所用复合焊丝合成工艺及结构如图1所示。焊丝外层为AlSi12合金，该合金具有良好的塑性。AlSi12合金钎焊性好、接头强度高、焊后色泽与母材一致、耐蚀性极佳，AlSi12作为钎料使用时对3003，3A21，6061等常用铝合金具有良好的钎焊性和强韧性，但钎料熔化温度在577℃以上，导致钎焊温度高，接近钎焊母材固相线温度；内层为Cu60Al合金粉，在AlSi共晶钎料中加入铜可显著提高钎料流动性，同时进一步降低熔点。

图1　复合钎料丝合成工艺及结构示意图Fig.1　Preparation process and structure of composite brazing wire

采用铸造-挤压法制备复合钎焊丝，制备工艺如图1所示。首先熔炼制备AlSi铸锭，将CuAl还原粉加入到带有预制孔的AlSi合金铸锭中，充分压实后形成金属粉芯铸锭棒，然后经挤压、扩散退火、拉拔，得到直径1.0～2.5mm的成品复合焊丝。该种方法制备Al-Si-Cu钎料，设备操作简单、产品稳定性好，制造成本低廉，能解决高脆性Al-Si-Cu难以加工成丝的问题。

外侧AlSi合金和芯部CuAl粉质量比为10∶9，故预期获得的钎缝合金成分质量分数为Al66Si6Cu28。复合钎焊丝尺寸波动和合成前内外层合金质量波动对原位合成后钎料成分的影响分别见表1和表2，使用时可适当调节结构尺寸或原始质量，以获得不同成分的原位合成钎料。采用感应钎焊工艺，分别用铸态BAl67CuSi钎料和原位合成后Al-Si-Cu钎料，钎焊3A21铝合金板，使用CsF-KF-AlF3系钎剂进行保护，钎料熔化后保温20s，在空气中自然冷却。焊后首先清洗去除钎剂，采用电火花线切割从试样上切下小块的接头界面样品，使用树脂镶嵌，对钎缝进行机械打磨与抛光，并进行腐蚀。对组成复合焊丝的外侧AlSi12合金、内侧Cu60Al合金和铸态BAl67CuSi钎料、原位合成后Al-Si-Cu钎料制备金相观察试样，使用AxioScope A1光学显微镜观察合金微观组织，并进行对比分析。钎缝及界面形貌采用带有EDS的JSM-7500F场发射扫描电镜(SEM)进行观察。

表1　尺寸波动对原位合成成分的影响(质量分数/%)

表2　质量波动对原位合成成分的影响(质量分数/%)

为考察原位合成钎料钎焊后界面组织稳定性，对钎焊后的原位合成钎缝，在450℃进行5min的扩散退火，并观察退火前后界面组织。

钎焊接头强度实验参照GB/T 11363—2008标准，用于剪切实验的接头形状和尺寸如图2所示，3A21铝合金试板尺寸为60mm×10mm×5mm，搭接宽度3mm。剪切实验使用MTS E45.105力学试验机进行，横梁移动速率0.05mm·s-1。

图2　剪切试样形状和尺寸示意图(单位：mm)Fig.2　Illustration on size and shape of shear samples (unit:mm)

2　结果与分析

2.1合金的微观组织

复合焊丝外层的AlSi12合金、内层Cu60Al合金和铸态BAl67CuSi钎料经感应加热熔化并在室温下冷却凝固后的微观组织如图3(a)～(c)所示。图3(d)给出了复合钎焊丝原位合成后经感应加热熔化并在室温下冷却凝固后的微观组织。图3(a)所示的外层AlSi12合金微观组织中较细的组织为Al-Si二元共晶组织，较亮相为富Al相，少量的灰色块状组织为初生的Si相。由图3(b)可看出，Cu60Al合金主要由富Al基体相和分布在晶界的Al和CuAl2共晶相，脆性CuAl2化合物在晶界的大量析出，导致该合金脆性非常大。图3(c)为铸态BAl67CuSi钎料熔化后组织，图中白色为富Al相，较亮的为CuAl2相，灰色大块状相为初生的Si相，剩余相为Al-Si-Cu三元共晶相。由于CuAl2化合物和大块状Si相的存在，BAl67CuSi合金塑性较差。由AlSi12合金和内层Cu60Al合金粉原位合成的Al-Si-Cu合金组织示于图3(d)，对比图3(a)～(c)，原位合成Al-Si-Cu合金组织均匀，初生的大块状Si相被颗粒状或长条状Si相所代替，原大量分布在晶界的CuAl2脆性化合物尺寸变小、数量减少。原位合成后合金组织的变化，表明原位合成合金具有一定的塑性。

图3　合金显微组织(a)AlSi12合金；(b)Cu60Al合金；(c)BAl67CuSi合金；(d)原位合成后合金Fig.3　Optical microstructure of alloys(a)AlSi12 alloy;(b)Cu60Al alloy;(c)BAl67CuSi alloy;(d)in situ synthesis alloy

2.2钎缝组织

复合焊丝钎焊后得到的Al-Si-Cu合金钎缝组织如图4所示。图4(a)为接头整体形貌，可见各组成相分布于整个钎缝中，钎缝组织均匀，表明使用复合焊丝钎焊3A21铝合金时，钎焊过程中内外部合金发生了充分的熔合，实现了成分均匀化。钎缝晶粒较为粗大，由多种不同颜色和形态的相组成。根据设计的钎缝成分和EDS分析，判断各相分别为富Al相、CuAl2相及Si相，三相以Al-CuAl2,Al-Si共晶的形式存在。对比钎缝显微组织(图4(b)，(c))和铸态BAl67CuSi钎料显微组织(图3(c))可知，铸态BAl67CuSi钎料中存在大块Si相，使用复合钎焊丝钎焊后的钎缝组织中，块状Si相尺寸减小，Si相以颗粒状或长条状形成存在。大块状Si相的存在，对合金强度和塑性有危害，故钎焊原位合成过程中大块状Si相的消失，有利于钎缝强度和塑性的改善。

图4　Al-Si-Cu/3A21钎焊接头微观组织(a)接头光学组织；(b)钎缝光学显微组织；(c)钎缝组织SEM照片Fig.4　Microstructure of the Al-Si-Cu/3A21 brazed joint(a)optical morphology of the brazed joint;(b)optical micrograph of brazed seam;(c)SEM image of brazed seam

钎焊界面微观形貌如图5所示，图5(a)为原位合成Al-Si-Cu/3A21界面显微组织和SEM形貌图。图5(b)为使用常规BAl67CuSi/3A21界面显微组织和SEM形貌图。由图5(a)可见界面形成了良好的冶金结合，无可见的缺陷生成，且无过厚的过渡层出现。外侧AlSi流动性好，且与基体合金润湿性好，结合强度高。界面仅有少量CuAl2化合物相出现(相对于图5(b))，对接头界面强度和塑性影响较弱。

图5　Al-Si-Cu/3A21钎焊接头界面组织形貌1-光学显微照片；2-SEM照片　(a)原位合成；(b)BAl67CuSiFig.5　The morphology of Al-Si-Cu/3A21 brazed joint　1-optical micrograph；2-SEM image(a)in situ synthesis;(b)BAl67CuSi

图6所示为原位合成Al-Si-Cu/3A21钎焊界面扩散前后对比图。复合钎焊丝感应钎焊后保温20s后钎缝界面，经过450℃，5min的扩散退火后，界面组织基本不发生变化。说明感应钎焊过程中，AlSi和CuAl合金熔化后互相熔合，经短暂保温后元素均匀扩散，可形成组织稳定的Al-Si-Cu钎料。

图6　原位合成Al-Si-Cu/3A21钎焊界面扩散前(a)后(b)光学显微照片Fig.6　Optical micrographs of in situ synthesis Al-Si-Cu/3A21 joint interface before(a) and after(b) diffusion

2.3钎焊接头强度与断裂行为

图7和表3分别为获得的钎焊接头抗剪曲线和抗剪强度，可见复合钎焊丝钎焊接头平均抗剪强度超过80MPa，优于常规Al-Si-Cu钎料钎焊的抗剪强度[7,19,20]。图8所示为原位合成钎料钎焊试样抗剪断口形貌，断口上未见裸露的基体，说明界面结合强度高于钎料强度；断口上未见大片的脆性化合物，表明界面化合物厚度已被控制在不发生沿界面脆性断裂的范围；断口表面无解理断裂特征，说明钎焊接头塑性较好。

表3　钎焊接头抗剪强度

图7　接头剪切应力-位移曲线Fig.7　Shearing stress-displacement curves of brazed joint

2.4分析讨论

基于以上实验结果与分析，对AlSi/CuAl复合焊丝钎焊3A21时反应过程的定性描述如图9所示。感应钎焊时两种合金几乎同时熔化， 外侧的AlSi合金熔化后润湿铝合金基体，与之发生熔合并相互扩散，从而形成良好的结合界面；内侧的CuAl合金粉熔化后与AlSi合金发生扩散与对流，实现成分均匀化。熔化后钎料的温度远低与焊前内外层合金温度，获得的接头强度远高于常规Al-Si-Cu钎料钎焊接头，且使母材发生熔蚀、熔化等缺陷发生的几率降低。使用AlSi和CuAl两种合金的复合钎焊丝感应钎焊3A21铝合金，焊丝熔化过程与铸态的BAl67SiCu相比有延迟现象，但不影响钎焊焊缝形成；采用火焰钎焊时钎焊过程基本相同。由于位于三元共晶成分的Al-Si-Cu钎料熔点低于AlSi12和Cu60Al合金粉熔点，因此，通过原位合成实现Al-Si-Cu的应用，可达到降低钎料熔点、提高钎缝强度、钎料易于成形的效果。

图8　Al-Si-Cu/3A21钎焊试样抗剪断口形貌(a)断口形貌；(b)断口局部形貌Fig.8　The shearing fracture apperance of the specimen Al-Si-Cu/3A21 brazed joint(a)fracture morphology;(b)part of fracture morphology

此外，由于复合焊丝内外层体积比例直接决定了钎缝成分和性能，实际钎焊生产中，可通过调节内外层合金体积比而调节钎缝性能，可参考原位合成银基或铜基合金的结构设计[14,21,22]。

图9　使用复合焊丝钎焊时的钎缝形成过程示意图(a)反应前；(b)反应中；(c)成分均匀化Fig.9　Illustration on reaction process of brazing using composite brazing wire(a)before reaction;(b)in the reaction;(c)composition uniformity

3　结论

(1)使用Cu60Al和AlSi12两种合金分别做预铸锭的内外层，通过挤压复合工艺可得到复合钎焊丝。这种钎焊丝可以进行常温塑性成形。

(2)使用AlSi和CuAl两种合金的复合钎焊丝感应钎焊3A21铝合金，焊丝熔化过程与铸态的BAl67SiCu相比有延迟现象，但不影响钎焊焊缝形成；采用火焰钎焊时钎焊过程基本相同。

(3)在焊丝熔化后瞬时保温，可原位完成合金化，生成均匀的Al-Si-Cu合金钎缝组织，接头剪切强度超过使用常规Al-Si-Cu合金钎焊的接头强度。

(4)钎焊后增加5min，450℃扩散退火，钎焊界面组织基本不发生变化。

(5)该创新设计将可用于原位合成多种难成形钎料合金，实现难加工钎料制造与使用过程的一体化，避免一些难成形钎料的成形问题，为钎缝性能优良但难加工成形钎料的应用提供了一种新思路。

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In Situ Synthesis of Al-Si-Cu Alloy During Brazing Process and Mechanical Property of Brazing Joint

LONG Wei-min1，LU Quan-bin1，HE Peng2，XUE Song-bai3，WU Ming-fang4，XUE Peng5

(1 State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals & Technology,Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering,Zhengzhou 450001,China；2 State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China；3 College of Materials Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China；4 Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,Jiangsu,China；5 School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The Al-Si-Cu alloy system is considered to be a promising choice of filler metal for aluminium alloys brazing due to its high strength and low melting point. The greatest obstacle is its lack of plastic forming ability and being difficult to be processed by conventional methods. This disadvantage is ascribed to the considerable amount of brittle CuAl2intermetallic compound which forms when alloy composition is around the ternary eutectic point. In order to overcome this deficiency, authors of this article proposed to synthesize Al-Si-Cu filler metal by using in situ synthesis method, and the structure and properties of brazing joints were studied. The results show that AlSi alloy is used as the wrap layer, and CuAl alloy is used as the powder core in the composite brazing wire, the two alloys have similar melting points. The machinability of the composite brazing wire is much superior to the traditional Al-Si-Cu filler metal. During the induction brazing of 3A21 alloy, when using AlSi-CuAl composite filler wire, AlSi and CuAl alloys melt almost simultaneously, then after short time holding, Al-Si-Cu braze filler is obtained, the brazing seam has uniform composition and good bonding interface, also, the shearing strength of the brazing joints is higher than the joint brazed by conventional Al-Si-Cu filler metal.

Al-Si-Cu brazing filler metal；insitusynthesis; composite brazing wire; braze

龙伟民(1966-)，男，研究员，博士生导师，研究方向：新型钎焊材料及其生产技术、钎焊工艺与设备研发及应用,联系地址：河南省郑州市高新区科学大道红松路郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室(450001)，E-mail: brazelong@163.com

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.003

TG454

A

1001-4381(2016)06-0017-07

国际科技合作计划项目(2014DFR50820)

2015-11-15;

2016-03-20