Ni泡沫/Sn复合钎料超声波钎焊2024铝合金接头组织及性能研究

采用自制的Ni泡沫/Sn复合钎料片通过超声波钎焊工艺,低温快速制备了Al/Ni泡沫-Sn/Al接头。研究了超声波钎焊时间对铝合金接头显微组织和力学性能的影响。结果表明,在超声波引起的空化效应和机械摩擦效应联合作用下,促进了润湿铺展和冶金结合;随着钎焊时间的延长,Ni骨架逐渐呈层叠条带状分布,并在其周围生成Ni_3Sn_4层,界面处Al_3Ni相增多并取代Sn/Al界面;接头的抗剪强度先提高后降低,在4 s时达到最高值,约52.34 MPa。     

泡沫Ni/Sn复合钎料超声波钎焊Al_2O_3陶瓷接头组织及力学性能研究

采用泡沫Ni增强Sn基复合钎料片,通过超声波辅助钎焊工艺对Al_2O_3陶瓷进行了低温连接,研究了不同钎焊时间对Al_2O_3接头显微结构及抗剪强度的影响。结果表明,钎焊时间从4 s延长至12 s时,Ni骨架从多边形向条状转变,钎缝宽度从90μm减小到30μm,Sn金属逐渐填充到泡沫Ni的空隙中,钎缝中的缺陷逐渐减少至消失。在泡沫Ni骨架表面形成了Ni_3Sn_4金属间化合物层,其厚度随钎焊时间的延长而增大,同时接头的抗剪强度呈现先提高后降低的趋势。钎焊时间为8 s时,接头获得了最佳的抗剪强度值38.6 MPa。     

超声作用下Ni/Sn/Ni钎焊界面金属间化合物的演变

对比研究了超声作用和无超声作用下Ni/Sn/Ni钎焊界面金属间化合物的形成和演变规律。结果表明,无超声作用时,Ni/Ni_3Sn_4界面较为平直且致密,而Sn/Ni_3Sn_4界面被液态Sn钎料逐渐溶解而呈扇贝状,并且有少量Ni_3Sn_4分布在焊缝中。其次,界面金属间化合物(intermetallic compound, IMC)层厚度与时间呈抛物线关系,Ni_3Sn_4的生长受体扩散的控制。超声作用下,声空蚀作用使得界面Ni_3Sn_4发生溶解而形成很多沟槽,甚至在界面IMC的局部区域出现了"neck"状连接,重新为母材Ni原子向钎料的溶解打开了通道,在声流的辅助作用下促进母材的溶解。随着超声时间的增加,声空化作用将界面"neck"状连接的细长的Ni_3Sn_4晶粒打碎而进入焊缝,使得界面IMC逐渐减薄。进入焊缝的Ni_3Sn_4进一步在空化作用下溶解和破碎,最终大量细小的Ni_3Sn_4均匀分布在焊缝中。     

Al/Fe异种金属钎焊接头组织与力学性能研究

采用Al-7Si-20Cu钎料在真空钎焊条件下(不添加钎剂)对1060铝合金与Q235钢(镀Ni与不镀Ni)进行钎焊试验,研究了钎焊接头的显微组织及力学性能。研究结果表明,570℃钎焊5 min时,Fe表面不镀Ni时,Fe侧界面处生成厚度较大的Fe_2A_(l5)和FeAl_3脆性化合物,接头抗剪切强度仅为40 MPa。当Fe表面镀Ni后,Ni层的存在抑制了脆性Fe-Al化合物的形成,Fe侧界面生成Ni_2Al_3和NiAl_3化合物层,接头的剪切强度显著提高。延长钎焊时间,Ni_2Al_3层变薄,Ni Al3层增厚,接头剪切强度提高。当钎焊时间继续增加,Ni层消失,再次生成Fe-Al化合物,接头剪切强度降低。     

Ni-Al-Sn三元系在800和1000℃时的相平衡（英文）

采用电子探针显微分析和X射线衍射分析等方法研究了Ni-Al-Sn三元系在800和1000℃时的相平衡。结果表明:(1) Ni-Al-Sn三元系在800和1000℃时均未发现三元化合物;(2) Ni-Al侧存在Ni Al、Ni_3Al、Al_3Ni和Al_3Ni_2 4个化合物,800℃时,Sn在Ni Al和Ni_3Al中的固溶度分别为3.1 at%和14.7 at%,在1000℃时分别为3.0 at%和8.0 at%。而Sn在Al_3Ni和Al_3Ni_2中几乎没有固溶度;(3) Ni-Sn侧有Ni_3Sn(r)、Ni_3Sn(h)和Ni_3Sn_2(h) 3个化合物。800℃时,Al在Ni_3Sn(r)相的固溶度为4.2 at%,1000℃时,Ni_3Sn(r)相转变为Ni_3Sn(h)相,拥有5.5 at%Al的固溶度。另外,800℃时,Al在Ni_3Sn_2(h)相中的固溶度为8.4at%,1000℃时为12.1at%;(4)Ni-Al-Sn三元系Al-Sn侧为相互贯通的液相区域,Ni在Al-Sn侧的溶解度约为1 at%。     

超声波辅助泡沫Ni/Sn-9Zn复合钎料低温钎焊7075-Al接头组织及性能研究

利用泡沫Ni增强Sn-9Zn复合钎料并结合超声波辅助无钎剂钎焊方法制备了Al/Sn-9Zn/Al钎焊接头,研究了超声波振动时间和钎焊温度对接头显微组织和抗剪强度的影响:研究结果表明:钎焊时间较短时,接头界面的冶金结合较差;随着钎焊时间的延长,在16 s时接头的结合情况最好,此时抗剪强度最高达到71.25 MPa;时间继续增加时,Ni有充分的时间向界面层扩散与Al结合出现脆性金属间化合物层;当钎焊时间一定时,不同的钎焊温度对接头抗剪强度的影响不大,但是在280℃能够得到成形较好的接头。     

Al2O3陶瓷/AlSiMg/1A95铝合金间接钎焊接头组织与性能的研究

采用Al-Si-Mg钎料制备了表面Mo-Mn化后镀Ni的Al_2O_3陶瓷与1A95铝合金真空钎焊接头,研究了钎焊温度和保温时间对钎焊接头组织和剪切性能的影响,并分析了接头的界面微观组织及断口形貌。研究表明,最佳钎焊工艺为580℃×20 min,接头的抗剪强度达到74 MPa,此时接头界面结构为Al_2O_3/Mo-Mn/Al_3Ni/α-Al/1A95。随着钎焊温度的升高,界面处Al_3Ni化合物厚度增加;随着保温时间的延长,界面处产生了Al_(12)Mo化合物覆盖在Al_3Ni化合物上方。接头的断裂形式均为脆性断裂:当钎焊温度较低保温时间较短时,断裂主要发生在靠近铝合金与钎料层的界面处。最佳工艺条件下,断裂一部分发生在钎料和镀镍层的反应区内,一部分发生在靠近铝合金与钎料层的界面处。随着钎焊温度或保温时间进一步提高,断裂主要发生在钎料和镀镍层的反应区内。     

超声对Ni/Sn固-液溶解行为的影响

采用浸入实验法对比研究了加载超声和无超声辅助下Ni在Sn中的溶解动力学,通过模拟探明了熔池中声压分布规律,观察了Ni-Sn界面微观组织。上述研究表明,超声作用10 s Ni丝的溶解量与不加超声保温5 min的溶解量相当,表明超声能促进Ni在熔融Sn钎料中的溶解。无超声辅助时,随着保温时间的增加,Ni-Sn界面金属间化合物逐渐增厚,阻碍了Ni与Sn之间的相互扩散;而在超声空化作用下,Ni-Sn界面处于动态非平衡状态,能促进Ni在液态Sn中不断溶解;同时,在超声声流作用下界面Ni原子快速迁移至Sn中,在随后的冷却过程中析出大量细长棒状的Ni_3Sn_4金属间化合物。     

超声波作用下Al/Zn-14Al/Cu钎焊接头的显微组织及力学性能

采用Zn-14Al过共晶焊料并借助超声波振动对Al/Cu异质金属进行了无钎剂钎焊连接,研究了在420℃超声钎焊不同时间时接头显微结构及力学性能的影响。研究结果表明,随着超声振动时间的延长,钎缝层中的α-Al相减小,Zn-Al共晶相和CuZn_5相增多,Cu界面反应层由以CuZn_5相为主逐步转变为Al_(4.2)Cu_(3.2)Zn_(0.7)相。接头的剪切强度随钎焊时间的延长呈现先增加后减小趋势,钎焊时间为8 s时接头获得了最佳的剪切强度82.6 MPa。     

Ni-Co-Sn三元系相平衡的实验研究（英文）

采用电子探针显微分析和X-ray衍射分析方法研究了Ni-Co-Sn三元体系在700和1000℃时的相平衡。在这两个温度截面中均未发现三元化合物。βCo_3Sn_2相和Ni_3Sn_2(h)相形成了一个贯穿连续固溶体相。Ni-Sn侧包含Ni_3Sn(l)、Ni_3Sn(h)和Ni_3Sn_4 3个化合物相,它们中Sn的固溶度是有很大区别的。700℃时,Co在Ni_3Sn(l)和Ni_3Sn_4中的最大固溶度分别约为6.9 at%和25.6 at%,在1000℃时,Co在Ni_3Sn(h)中的最大固溶度约为15.5 at%。在700和1000℃下,Ni-Co侧的(αCo, Ni)相为一个贯穿连续固溶体相,并且Sn在(αCo, Ni)相中的固溶度为1 at%～10.5 at%。Ni在线性化合物CoSn相中的溶解度约为15.9 at%。     

Al_2O_3陶瓷与TiAl合金真空钎焊接头界面组织及性能

采用AgCuTi活性钎料实现了Al_2O_3陶瓷与TiAl合金的钎焊连接,研究了钎焊接头的界面结构及其形成机制,并且分析了不同钎焊参数对接头界面组织和接头力学性能的影响规律。结果表明:Al_2O_3陶瓷与TiAl合金钎焊接头的典型界面组织为:Al_2O_3/Ti_3(Cu,Al)_3O/Ag(s.s)+Cu(s.s)+AlCu_2Ti/AlCu_2Ti+AlCuTi/TiAl。钎焊过程中,TiAl基体向液态钎料中的溶解量决定了钎焊接头界面组织的形成及其演化。随着钎焊温度的升高和保温时间的延长,Al_2O_3陶瓷侧的Ti_3(Cu,Al)_3O反应层增厚,钎缝中弥散分布的团块状AlCu_2Ti化合物逐渐聚集长大。陶瓷侧界面反应层的厚度和钎缝中AlCu_2Ti化合物的形态及分布共同决定着接头的抗剪强度。当钎焊温度为880℃,保温10 min时,接头的抗剪强度最大,达到94 MPa,此时接头的断裂形式呈现沿Al_2O_3陶瓷基体和界面反应层的复合断裂模式。     

瞬间液相(TLP)扩散连接GH4169/TC4接头的微观结构及力学性能

为制备镍基高温合金/钛合金复合构件,拓展二者应用领域,以Ti/Ni复合箔片作为中间层,采用瞬间液相(TLP)扩散连接技术制备了GH4169高温合金/TC4钛合金接头,并对接头微观结构、力学性能和连接机理进行了研究和探讨。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)、万能试验机和显微硬度仪等对GH4169/TC4接头进行连接界面和断口形貌观察、成分表征、剪切性能和显微硬度测试,结果表明:在连接温度960℃,连接压力5 MPa,保温时间30min的工艺条件下,通过中间层与母材之间的元素扩散和化学反应,形成了"GH4169/Ni(s,s)/TiNi_3/Ti_2Ni/Ti/T_i2Ni/Ni/TiNi+Ti_2Ni/TC4"的多层梯度结构接头,除了"Ni/TiNi+Ti_2Ni"界面处存在一定的孔洞和微裂纹,其余各连接界面连续致密,无明显缺陷。所制备GH4169/TC4接头各区域硬度起伏较大,其中,残余Ti层、Ni层区域硬度最低,有利于缓解接头的内应力;GH4169侧界面区域硬度最高,主要是由于连接过程中形成的Ni(s,s)和TiNi_3硬度较高。结合接头剪切性能测试、断口形貌和物相分析,所制备GH4169/TC4接头抗剪切强度达124.6MPa,开裂发生在TC4附近的"Ni/TiNi+Ti_2Ni"界面区域,呈脆性断裂特征。     

Al_2O_3陶瓷与GH99高温合金的钎焊

兼具陶瓷与金属优异性能的复合构件的连接一直是材料的研究热点。本课题采用活性钎料AgCuTi钎焊了Al_2O_3陶瓷和GH99高温合金接头,并分析了接头的界面结构以及界面形成的机理,研究了钎焊温度和保温时间对接头组织结构的影响,得出了以下结论:接头连接完好,钎焊界面中无孔洞、裂纹等缺陷,接头典型界面组织结构为GH99/TiNi_3/Cu(s,s)+Ag(s,s)/Cu_3Ti_3O(Ti(O)_(3x))/Al_2O_3;连接温度升高,钎料与两侧母材的反应作用加剧,GH99侧的TiNi_3反应层增厚,且延伸进钎料中部,而陶瓷侧未观察到明显的反应层,但陶瓷与钎料相互扩散得更充分;随着保温时间的延长,GH99侧TiNi_3反应层的厚度增厚明显,保温时间较长时该反应层中产生微裂纹,而Al_2O_3陶瓷侧的连接则更为致密。     

金属箔片阻隔Mg/Al超声波焊接界面反应的有效性

本文以AZ31B Mg/6061-T6Al为研究对象,对界面添加锌、铜和银箔并采用超声波点焊进行焊接来考察接头性能。采用金相显微镜、SEM、XRD和拉伸试验机等研究了接头的显微组织和力学性能。结果表明:Mg/Al接头在焊接时间为1.1 s时接头温度达358.6℃,界面形成由Al_(12)Mg_(17)和Al_3Mg_2组成的连续IMC脆性层,降低了接头力学性能,断口为脆性解离断裂;添加锌箔能降低获得可靠接头的焊接时间,0.5 s时接头最大拉剪力为1154.4N、撕裂力为146.9 N,断口表现出韧性断裂特征,随焊接时间延长锌箔的有效性降低;添加铜箔可有效阻隔Mg-Al系IMC的形成,但由于Mg/Cu焊接性差,导致接头力学性能较低;添加银箔亦能有效阻隔Mg-Al系IMC的形成,1.1 s时接头拉剪力达到最大值为1141.4 N,但撕裂力较小(72.2 N),Mg/Ag界面断口呈现脆性断裂特征。     

有机溶剂保护对Al/Ni扩散连接的影响规律研究

采用有机溶剂保护实现了纯铝和纯镍的扩散连接。利用扫描电子显微镜、能谱分析以及X射线衍射等分析手段,确定了Al/Ni扩散连接接头典型的界面结构为Al/Al_3Ni_2/Ni。在扩散连接过程中利用有机溶剂防止铝表面发生二次氧化,相比直接扩散连接可得到更好的焊接质量。研究了连接温度对Al/Ni接头界面结构的影响规律,随着连接温度的升高各反应层厚度逐渐增加。当连接温度为490℃,连接时间为60 min,连接压力为2 MPa时,接头抗剪强度达到最大值,为17.83 MPa,比该工艺下直接扩散连接得到的焊接接头强度提高了约55%。     

Ti活度对Al_2O_3/Ag-Cu-Ti/Fe-Ni-Co钎焊接头力学性能和微观组织结构的影响（英文）

采用Ag Cu Ti钎料实现了Al_2O_3陶瓷与Fe-Co-Ni合金的钎焊连接,并调查了不同钛含量的钎料对Al_2O_3/Ag-Cu-Ti/Fe-Ni-Co钎焊接头机械性能和微观组织结构的影响。利用扫描电镜(SEM),X射线能量谱仪(EDS),X射线衍射仪(XRD)及电子万能试验机研究了钎焊接头的力学性能和微观组织结构。结果表明,钛含量的增加明显提高Ag-Cu-Ti钎料与Al_2O_3陶瓷的相互作用,在Al_2O_3/Ag-Cu-Ti界面生成一层由Ti-Al和Ti-O化合物组成的反应层。Al_2O_3/Ag-Cu-Ti/Fe-Ni-Co钎焊接头的抗拉强度随钛含量的增加而增加,当钛含量提高到8%(质量分数)时,抗拉强度达到最大值78 MPa。通过微观组织结构分析发现,采用AgCu4Ti在890℃保温5 min的条件下可以获得较好的钎焊接头,典型接头的微观组织结构为Al_2O_3/TiAl+Ti_3O_5/NiTi+Cu_3Ti+Ag(s,s)/Ag(s,s)+Cu(s,s)+(Cu,Ni)/Fe-Ni-Co。采用Ag-Cu-8Ti获得的钎焊接头的界面反应层与Ag-Cu-4Ti差异不大,但反应层稍微增厚,并伴有TiO和Ti_3Al在Al_2O_3/Ag-Cu-Ti界面生成。     

两种高温合金渗Al防护层的退化过程

研究了两种镍基高温合金上的渗Al层的退化过程。两种合金用两种方法施加的涂层组织相似:外层以NiAl Ni_2Al_3为母体,上面弥散着Ti(C,N)和Al_3Ti;内层由NiAl,Ni_3Al,Ti(C,N),M_(23)C_6和M_6C等相组成。渗Al层高温氧化时的退化与外层相变紧密相关,其过程如下: Ni_2Al_3 NiAl(富Al)→NiAl(富Ni)→NiAl Ni_3Al→Ni_3Al→Ni_3Al γNi_2Al_3和NiAl(富Al)相极不稳定,而NiAl(富Ni)相十分稳定。Ni_3Al沿NiAl晶界生核标志着渗层退化的开始,渗层NiAl完全变成Ni_3Al γ是退化的终了。     

焊后热处理对钛/铝FSB接头组织及性能的影响

研究了6082铝合金和TC4钛合金分别添加钎料锌和镍下的搅拌摩擦钎焊(FSB)搭接接头微观组织及焊后热处理后接头界面金属间化合物(IMC)的生成种类和先后顺序以及生长动力学模型。研究表明:添加钎料锌时,界面金属间化合物主要由AlZn、TiAl、TiAl2、TiAl3组成,先后顺序为TiAl2→TiAl3→TiAl→AlZn,并获得了界面IMC层的生长动力学模型为;添加钎料镍时,界面金属间化合物层主要由TiNi、Al3Ni2、Ti3Al和TiAl组成,先后顺序为776 K以下,Ti-Ni-Al焊接界面金属间化合物形成的顺序是Al3Ni2→TiNi→TiAl→Ti3Al,776 K以上时生成顺序为Al3Ni2→TiNi→Ti3Al→TiAl,并获得了界面IMC层的生长动力学模型。界面IMC层的厚度均随着温度的提高或保温时间的延长而增加。添加锌的接头的剪切强度由未热处理时的154 MPa提高到194 MPa,而添加钎料镍的接头由142 MPa提高至166 MPa。     

Ni元素对CuSnTiNi钎料活性钎焊Al_2O_3/Cu接头性能影响

研究了Ni元素的加入对Cu-Sn-Ti-Ni钎料钎焊Al_2O_3/Cu的接头强度的影响。结果表明,随着Ni含量的增加,Al_2O_3/Cu的接头强度增加,当Ni含量为4%时,其接头强度达到95.42 MPa,再继续增加Ni,连接强度降低。Cu-Sn-Ti钎料连接的Al_2O_3/Cu的接头断裂位置为近焊缝处的陶瓷断裂;添加Ni元素后,接头断裂位置发生变化:Ni含量低于3%时,为混合型断裂,即部分断裂在近焊缝处的陶瓷,部分断裂在焊缝处;不低于4%时,为焊缝处断裂。采用扫描电镜以及电子能谱仪分析界面的微观结构和成分,分析认为,Ni元素的加入,影响了Ti和Al2O3的反应,从而影响了Al2O3陶瓷和无氧Cu的接头强度。     

DETERIORATION OF ALUMINIDE COATING ON NICKEL-BASE SUPERALLOYS

研究了两种镍基高温合金上的渗Al层的退化过程。两种合金用两种方法施加的涂层组织相似:外层以NiAl+Ni_2Al_3为母体,上面弥散着Ti(C,N)和Al_3Ti;内层由NiAl,Ni_3Al,Ti(C,N),M_(23)C_6和M_6C等相组成。渗Al层高温氧化时的退化与外层相变紧密相关,其过程如下: Ni_2Al_3+NiAl(富Al)→NiAl(富Ni)→NiAl+Ni_3Al→Ni_3Al→Ni_3Al+γ Ni_2Al_3和NiAl(富Al)相极不稳定,而NiAl(富Ni)相十分稳定。Ni_3Al沿NiAl晶界生核标志着渗层退化的开始,渗层NiAl完全变成Ni_3Al+γ是退化的终了。