建筑用钎焊接头组织与力学性能的研究

采用OM、XRD、SEM和拉力试验机,研究了钎焊工艺参数对SnAg0.5CuZn0.1Ni/Cu无铅微焊点界面金属间化合物(IMC)和力学性能的影响。结果表明:添加0.1%Ni(质量分数)能显著细化SnAg0.5CuZn钎料合金的初生β-Sn相和共晶组织;钎焊温度为270℃、钎焊时间为240 s时,钎焊接头的剪切强度达到最大值47 MPa。     

铪与铜钎焊接头的组织与强度

采用72Ag-28Cu钎料对铪与铜进行了真空钎焊试验,钎焊温度为820~920℃,保温时间为1~45 min。研究了钎焊温度与保温时间对Hf/72Ag-28Cu/Cu钎焊接头组织和强度的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)观察钎焊接头组织形貌,用能谱仪(EDS)进行化学成分分析,用X射线衍射(XRD)进行物相分析。结果表明:随着钎焊温度的升高与保温时间的延长,接头剪切强度先升高后降低;在钎焊温度为840℃、保温时间为15 min的真空钎焊条件下,钎缝中的各相分布均匀,且尚未粗化,相比温度升高和保温时间延长获得的大块连续状相而言更有分布优势,起到了弥散强化的作用,并有利于应力的缓解释放,此时剪切强度最高,达到了最大的201 MPa,钎缝内形成了良好的结合界面;钎焊接头界面生成了Cu51Hf14,Cu8Hf3金属间化合物,但Cu-Hf化合物过多会对缺陷比较敏感,易产生裂纹,降低接头强度;Cu-Hf化合物过少导致没有形成良好冶金结合;因此,钎焊温度过高或过低,保温时间过长或过短对接头强度都不利。接头的界面结构为Hf/Cu-Hf化合物+Hf基固溶体/Hf基固溶体+Ag-Cu共晶组织+Cu-Hf化合物+Cu基固溶体/Cu。     

钎焊真空度对铜与铪钎焊接头组织及性能的影响

采用72Ag-28Cu钎料对铜与铪进行真空钎焊试验.钎焊温度为840℃,保温时间为15 min,真空度试验范围为5.0×10-2~8.0Pa.研究了钎焊真空度对铜与铪钎焊接头组织及性能的影响,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察钎焊接头的组织形貌,采用ZWICKZ050电子万能材料试验机测试接头剪切强度.结果表明:随着钎焊真空度的升高,接头剪切强度呈先升高后降低的趋势;在钎焊温度为840℃、保温时间为15 min时,较佳的钎焊真空度为2.0×10-1Pa.     

Ce的添加及等温时效对Sn-Ag-Cu钎料及钎焊界面生长行为的影响

研究微量稀土元素Ce在钎焊和等温时效后对Sn-Ag-Cu无铅钎料与铜基板的钎焊界面金属间化合物(IMC)及钎料组织的形成与生长行为的影响。结果表明,微量Ce的添加对钎料微观组织有一定的细化作用,并且对其形貌也有一定的影响。钎焊后钎焊界面区形成连续的笋状Cu_6Sn_5金属间化合物(IMC),在160℃等温时效条件下,随着时效时间的延长,粗糙的Cu_6Sn_5由笋状转变成尺寸较大的扇贝状,再转变成较为平缓的层状。在此过程中,Cu_6Sn_5和铜基板之间逐渐会有Cu3Sn金属间化合物析出,且界面金属间化合物总厚度也是随着时效时间延长而增加。在相同时效条件下,添加0.5%Ce的钎焊界面区IMC层比未添加Ce的IMC层更为平缓和细薄,在钎焊接头Cu_6Sn_5层处可能会有CeSn_3相生成且添加稀土元素Ce对钎焊界面Cu、Sn原子之间的反应扩散均有一定的影响。     

温度时效对SnAgCuLa/Cu接头金属间化合物层形貌和厚度的影响

SnAgCu系无铅钎料是颇具潜力的SnPb系钎料替代品,但该钎料在钎焊过程中会在钎料/铜基板界面生成具有一定厚度的金属间化合物层。锡基钎料钎焊接头的服役温度一般高于常温,在服役温度下,钎焊接头的金属间化合物(IMC)层的形态和厚度均会发生改变。本实验采用Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料,向其中添加不同量的La(x=0,0.2,0.5),比较各成分钎焊接头常温IMC层厚度,并将不同成分钎料的接头分别在75℃、125℃、160℃温度时效处理24h后,观察界面IMC层的形态并计算尺寸。结果表明,适量La的添加对界面IMC层的生长具有抑制作用;当La的添加量为0.5wt.%,与未添加La时相比,常温条件下,其IMC层厚度下降了41.51%;温度时效后,接头IMC层厚度与时效温度近似呈线性关系,且随着La的增加,其比例系数减小。     

多孔TiA1金属间化合物和434L不锈钢的钎焊连接

采用Ti-Cu混合粉为焊料,对多孔TiA1金属间化合物与434L不锈钢进行真空钎焊连接,测试异种材料连接件的整体拉伸性能;并用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对接头界面组织结构进行观察和分析.结果表明,采用Ti-Cu粉焊料可以实现此类异种材料间的连接;优化的焊接工艺参数为:焊接温度955℃及焊接时间240s,连接件的室温抗拉强度为65 MPa;接头界面结构依次为多孔TiA1,Ti3A1 Ti2Cu,TiCu Ti2Cu,富Ti层,富Fe层及不锈钢.     

Ti-Ni-Nb钎料钎焊βNb-Ti合金接头的微观组织及力学性能

采用65Ti-25Ni-10Nb (%,质量分数)钎料对体心立方结构的βNb-Ti固溶体合金进行钎焊,研究了钎焊条件对接头微观组织和力学性能的影响规律。研究发现,接头焊缝组织主要由{(Nb,Ti)+TiNi}共晶组织、(Nb,Ti)固溶体相、 TiNi相、 Ti_2Ni相和富Ti相组成。随着钎焊温度的升高和钎焊时间的延长,钎焊过程中钎料和基体中的合金元素发生互扩散,焊缝组织中的{(Nb, Ti)+TiNi}共晶组织和TiNi相逐向Ti_2Ni相转变,并在Ti_2Ni相内部逐渐析出富Ti相。同时,基体中的其他合金元素如Al, V和Cr元素向钎料中扩散。随钎焊温度的升高或保温时间的延长,钎焊接头的剪切强度呈先增加后降低的趋势。这主要是由于Ti_2Ni相具有较高的剪切模量,其含量的增加使钎焊接头的剪切强度增加,但随后Ti_2Ni相内部析出富Ti相使焊缝内应力增加,导致钎焊接头的剪切强度迅速降低。在1150℃钎焊15 min时, 65Ti-25Ni-10Nb/Nb-Ti钎焊接头的室温剪切强度可达到617.7 MPa。     

无镀镍铜铝低温钎焊工艺研究

运用感应加热工艺,开发了低成本且工艺简单的无镀镍铜铝复合材料的低温分层钎焊法。试验了4种铝用钎料及其钎焊工艺代替电镀镍作为铝表面镀层,解决了铜板与铝板之间的焊接问题。观察了焊接区域的界面形貌、断后形貌,测量了焊接件的剪切强度。结果表明,高低温钎料分层钎焊工艺可以实现铜铝板的有效连接,所获得的铜铝焊接件剪切强度最高可达26 MPa,焊接区域无明显的焊接缺陷;刮擦钎焊既可以搭配高温钎料,也可以搭配低温钎料使用,并且焊接件的剪切强度能达到行业要求。     

镀锡银钎料钎焊316LN不锈钢的接头组织及力学性能

通过在BAg34CuZnSn钎料(3.5%Sn,质量分数)基材表面刷镀微米锡层,采用感应钎焊方法对316LN不锈钢进行连接。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析基材表面锡镀层的结晶取向和界面形貌,以及316LN不锈钢钎焊接头的显微组织、物相组成、断口形貌,并借助万能拉力试验机测试了钎焊接头的力学性能。结果表明,基材表面锡镀层结晶晶粒呈现明显的(200),(112)择优取向。BAg34CuZnSn基材钎料和5.0%Sn含量镀锡银钎料连接的316LN不锈钢钎焊接头组织主要由Ag相、富Cu相、CuZn相、Cu_5Zn_8相组成;当镀锡银钎料中Sn含量为6.4%时,316LN不锈钢钎焊接头组织主要由Ag相、富Cu相、CuZn相、Cu_5Zn_8相、Cu_(41)Sn_(11)相和Ag_3Sn相组成。镀锡后316LN不锈钢钎焊接头的抗拉强度高于基材钎料连接的接头强度,且随着镀锡银钎料中Sn含量逐渐升高,316LN不锈钢钎焊接头的抗拉强度呈现先升高后降低的趋势。在镀锡银钎料中Sn含量为5.5%时,钎焊接头的抗拉强度最高,为415 MPa。镀锡不改变316LN不锈钢钎焊接头的断口特征,镀锡前后316LN不锈钢钎焊接头的拉伸断口均呈现以韧性断裂为主脆性断裂为辅的混合断裂特征。     

Cu/Al管气体火焰钎焊接头特征及热力学分析

通过计算Cu/Al管氧乙炔气体火焰钎焊条件下形成金属间化合物的各化学反应的熵变,对Cu/Al金属间化合物的形成及向CuAl2转化的趋势进行了化学热力学分析;结合XRD、SEM、EDS研究了Cu/Al管氧乙炔气体火焰钎焊接头组织与元素分布特征.结果表明,Cu/Al管氧乙炔气体火焰钎焊条件下,接头中脆性金属间化合物CuAl2由Cu、Al原子的直接结合和其他Cu/Al金属间化合物与Al原子的继续反应生成,其中CuAl自主转化趋势较强;热力学计算分析与接头XRD分析结果一致.钎焊接头可分为3个特征区域:靠近Al基体侧形成了宽度约30μm的α-Al与α-Al+CuAl2二元共晶区;钎缝中心偏Al基体一侧形成了宽度约150μm组织细密的多元共晶组织区;钎缝中靠近Cu基体宽度约120μm区域,Cu的大量扩散并与Al充分反应,形成了粗大珊瑚状CuAl2.     

高能喷丸对工业纯钛钎焊的影响

通过高能喷丸方法在工业纯钛表面制备了纳米表层,选择B-Ag40CuZnCdNi钎料对纳米化前后的纯钛进行了不同工艺的钎焊,借助微观组织分析和抗剪强度测定研究了表面自身纳米化对工业纯钛钎焊过程的影响。结果表明:用B-Ag40CuZnCdNi钎料钎焊工业纯钛时,表面自身纳米化预处理提高了母材表面的活性,促进了纯钛母材向液态钎料中的溶解,低温短时焊接时对接头性能提高有利,接头强度比未预处理时提高了13.8%。焊接温度超过650℃后,母材纳米表层的高活性使界面区的金属间化合物层增厚,接头性能反而下降;由于在焊接温度下元素的固态扩散不易进行,纳米化前处理对液态钎料中的元素向母材扩散的影响不明显;母材纳米化前处理后,钎焊时通过降低焊接温度和缩短保温时间,既可发挥纳米表层有益特性,同时避免不利影响。     

Au-19.25Ag-12.80Ge钎料的焊接性能研究

根据Au-Ag-Ge三元相图, 制备了新型Au-19.25Ag-12.80Ge(%, 质量分数)钎料合金.利用DTA, Sirion200场发射扫描电镜对钎料的熔化特性及显微组织进行分析, 并对其与纯Ni的润湿性加以研究.结果表明: Au-19.25Ag-12.80Ge钎料合金的熔化温度为446.76～494.40 ℃, 结晶温度区间为47.64 ℃; 焊接温度在510～550 ℃范围内时, Au-19.25Ag-12.80Ge钎料合金与Ni基体具有良好的铺展性和润湿性, 在熔化钎料前沿有润湿环现象出现, 钎料合金与Ni基体之间形成了一条连续的金属间化合物层, 能谱分析表明该金属间化合物层为Ge3Ni5金属间化合物, 由于该化合物层较脆, 故应控制焊接工艺以获得连续均匀且厚度适当的金属间化合物层; 对于本钎料合金而言, 焊接温度530 ℃, 保温时间10 min可获得较理想的焊接界面.     

Ni元素对Al-Si-Cu基真空钎焊料接头性能的影响

研究了添加Ni的Al-Si-Cu基钎料真空钎焊LF21铝合金接头的力学性能、微观组织形貌.结果表明,采用添加Ni元素的真空钎料,可提高钎焊接头的剪切强度,其机制在于Ni元素能够改善LF21铝合金真空钎焊接头焊缝及其基体组织的分布.但随着Ni元素含量的增加,其钎料的熔点也有所提高.     

钯含量对Ag-Cu-Pd钎料合金组织和性能的影响

通过差热分析、扫描电镜显微组织分析、真空钎焊等手段,对不同Pd含量Ag-Cu-Pd钎料的熔化特性以及在无氧铜和镍上铺展性进行研究,并对铸态组织和钎焊界面组织进行分析.结果表明,随着Pd含量增加,Ag-Cu-Pd钎料的固相线温度、液相线温度有明显提高,固液相线温度间隔也随之增大;当Pd含量为10 %和20 %时钎料铺展性良好,且随着Pd含量增加,钎料合金铺展性降低,但当Pd增加到30 %时,钎料铺展性变差且有轻微侵蚀迹象;铸态Ag-Cu-Pd合金中Pd元素主要存在于富铜相中;Ag-28Cu-20Pd钎料焊接无氧铜板时的钎焊界面,形成连续的金属间化合物（IMC）层,钎料中Pd元素主要分布在IMC层上.      

微电子封装用SiC_p/Al复合材料的中温钎焊

选用Al-Ag-Cu和Al-Si-Cu-Ni两种钎料,分析钎料的熔化特性和微观组织,并分别用于钎焊化学镀Ni后的SiCp/Al复合材料,研究其结合机理。结果表明,Al-Ag-Cu和Al-Si-Cu-Ni都具有很好的熔化特性,熔点均在520~530℃之间,具有很窄的熔化温度区间。用这2种钎料钎焊化学镀Ni后的SiCp/Al复合材料时,Ni镀层与Al基体发生反应生成Al3Ni和Al3Ni2化合物层,同时与钎料发生界面反应生成Al-Ni-Cu和Al-Ag-Cu等化合物,从而保证钎焊接头牢固的连接。钎料中的Ag和Cu元素穿过Ni(P)镀层,扩散到Al基体中,形成Al2Cu、Ag2Al等金属间化合物。     

微量Si元素对Sn-0.7Cu钎料组织及钎焊性能的影响

研究了Si元素对Sn-0.7Cu钎料合金钎焊性能的影响。采用感应熔炼工艺制备出Sn-0.7Cu-x Si (x=0,0.1,0.3,0.5,0.75,1.0;%,质量分数)钎料合金,通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计及万能拉伸实验验机等分析测试方法研究了Sn-0.7Cu-x Si钎料微观组织、界面形貌、熔化特性及力学性能。研究结果表明：加入0.1%的Si元素后,晶粒明显细化,共晶相增多,界面层厚度降低,此时硬度及抗拉强度达到最大值(HV_0.025 11.38,37 MPa);随着Si含量的继续增加,Sn-0.7Cu-x Si钎料合金晶粒逐渐粗化,共晶组织减少,同时过量黑色的Si颗粒聚集,界面处化合物层厚度不断增加;钎料的熔点随着Si含量的增加无明显变化,过冷度逐渐降低,当Si元素添加量超过0.5%后趋于稳定,相比于Sn-0.7Cu钎料合金降低了46.5%;Sn-0.7Cu-x Si钎料合金的润湿性随着Si含量的增加先升高后降低,在Si元素含量为0.5%处润湿面积最大(93.71 mm²),显微硬度及剪切强度逐渐降低。     

几种不同银基钎料对钛合金/不锈钢钎焊焊缝的影响

采用不同成分的钎料在相同温度、相同时间条件下，利用光学显微镜，扫描电子显微镜(SEM)等检测手段，对钛合金／不锈钢钎焊焊缝进行了观测分析，并对钎焊接头中形成的不同相的特征以及金属间化合物对接头结合性能的影响进行了分析探讨。     

ZnO陶瓷/金属Cu钎焊接头残余应力计算

采用热弹塑性有限元分析方法,计算了方形ZnO陶瓷与金属Cu钎焊接头中残余应力的大小和分布。发现结果如下:ZnO陶瓷与金属Cu钎焊后会在接头中产生残余应力,其中ZnO陶瓷侧垂直于钎焊界面方向的轴向拉应力是影响ZnO/Cu接头性能的主要因素,轴向拉应力的最大值出现在ZnO陶瓷表面边缘靠近钎焊界面处,当钎料层厚度为0.3 mm时,拉应力在ZnO陶瓷表面边缘距ZnO/钎料层界面0.6 mm处有最大值69.75 MPa。通过钎料层不同厚度的比较计算得出,合适的钎料层厚度能降低ZnO/Cu接头的残余应力,钎料层厚度为0.1 mm时,ZnO陶瓷侧拉应力峰值最小,为30.82 MPa。此外,采用单一缺陷模型计算了钎料层中气孔缺陷的存在对ZnO陶瓷与金属Cu钎焊接头残余应力的影响。计算结果显示,气孔缺陷位于ZnO/钎料层界面时残余拉应力峰值为95.5 MPa,气孔缺陷位于Cu/钎料层界面时残余拉应力峰值为107.2 MPa,拉应力峰值相对无缺陷模型均有大幅升高。     

低熔点耐蚀Al-Si-Cu-Ge系钎料的研究

为开发一种新型的适用于钎焊6063铝合金的低熔点耐蚀钎料,采用DSC熔点测定、电化学试验、组织分析和接头抗剪切试验方法,筛选综合性能较好的钎料成分。由试验结果得出,优选出熔点为530℃的Al-8.5Si-20Cu-5Ge-3Ni-0.2Er钎料为综合性能较好的钎料。添加Ni可以提高钎料的腐蚀电位,降低腐蚀倾向。添加稀土Er可以细化钎料组织,细化块状初晶Si的大小,使尖锐的针状Al2Cu金属间化合物的形态转变为棒状。稀土元素Er能促进结合界面处原子扩散,并提高接头的抗剪切强度。     

Ag-Cu-Sn系低银钎料的研究

本文对Ag-Cu-Sn系低银钎料进行了研究。研究表明,用Ag-Cu-Sn相图中富铜一角、银含量为15～25％,液相线温度在725～825℃之间的合金钎焊低碳钢时,其组织中的δ相及合金中的锡含量对钎焊接头的剪切强度均有影响。本文研制了一种Ag-Cu-Sn系低银钎料,并发现,在钎料中添加2～3％Mn可成倍地增加钎料在低碳钢上的润湿面积,添加2％Ni可改善合金组织,降低其硬度,添加0.2～0.5％Si时,Si的作用较复杂。