Zn-Al-Si釬料釬焊銅/鋁接頭顯微組織及性能研究*

北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 羊 浩 黃繼華 陳樹海 趙興科

珠海格力電器股份有限公司 王 奇 李德華

銅/鋁異種金屬接頭具有銅、鋁2種金屬高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的特點(diǎn)，并能有效降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和重量，是一種綜合性能優(yōu)異的復(fù)合構(gòu)件，在航空航天、電工電子、空調(diào)制冷等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。在眾多連接方法中，由于釬焊方法具有高效率、高精度、低成本和低殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為常見的銅/鋁異種金屬連接方法[1，3-4]。

Zn-Al釬料（特別是Zn-15Al和Zn-22Al）釬焊Cu/Al接頭具有較高的抗剪切強(qiáng)度，被認(rèn)為是目前較為理想的銅 /鋁釬焊用釬料[1，3，5]。但是，由于 Al-Cu 之間冶金的不相容性及Al-Cu原子間較大的化學(xué)親和力，采用Zn-Al釬料釬焊Cu/Al接頭時(shí)，Cu母材/釬縫界面處易形成以Al-Cu化合物（CuAl、CuAl2等）為主的脆性界面層[1，3，6]。在外力作用下，該脆性界面層易萌生裂紋，接頭往往斷裂在該界面層處。減小銅/鋁接頭脆性界面層的厚度，可以有效抑制界面處裂紋的產(chǎn)生，顯著提高接頭的力學(xué)性能[3，7]。但是，目前缺少這種能有效抑制界面化合物生長，改善銅/鋁接頭界面結(jié)構(gòu)的方法。

降低銅/鋁接頭的釬焊溫度，可以降低接頭界面處金屬間化合物形成的可能性[8]。所以，選擇一種熔點(diǎn)較低的釬料進(jìn)行銅/鋁接頭的釬焊，是降低釬焊溫度、抑制界面化合物生長的最直接方法。Zn-Al-Si釬料的主要組元與Zn-Al釬料相近，具有與Zn-Al釬料相近的機(jī)械加工性能，可以方便地制成絲或帶的形式。更重要的是，由于適量Si元素的加入，Zn-Al-Si釬料較Zn-Al釬料具有更低的熔點(diǎn)[8-9]。所以，Zn-Al-Si釬料是一種潛在的銅/鋁釬焊用釬料。但是，目前對Zn-Al-Si釬料釬焊銅/鋁接頭的顯微組織、界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的研究還未見報(bào)道。

本文選用Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si兩種釬料，采用火焰釬焊方法獲得銅/鋁接頭。研究了銅/鋁接頭Cu母材/釬縫界面結(jié)構(gòu)，釬縫中心區(qū)顯微組織，抗剪切強(qiáng)度和斷口形貌，并闡釋了釬縫界面結(jié)構(gòu)與接頭力學(xué)性能的關(guān)系，對新型銅/鋁釬焊用釬料的研制有著重要的意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用Zn-Al-Si釬料的成分分別為Zn-14.1Al-0.9Si（1#）和 Zn-21.5Al-1.5Si（2#），兩種釬料的成分點(diǎn)均位于Al-Zn-Si三元相圖[10]中的共晶線上。釬料采用99.995%純鋁、99.999%純鋅和99.999%的純硅在坩堝熔煉爐中熔煉而成。同時(shí)，為了防止釬料合金在熔煉過程中被氧化，采用質(zhì)量比NaCl:KCl＝1:1熔鹽進(jìn)行覆蓋保護(hù)。

2種釬料熔點(diǎn)采用型號為CR-G型高溫DTA差熱分析儀進(jìn)行測試，升溫速度為15℃/min，采用氬氣保護(hù)。釬料與銅、鋁母材的潤濕性按照GB/T11364-2008《釬料潤濕性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試，試 板 為40mm×40mm×3mm的1060純 鋁 板 和40mm×40mm×2mm的TP純銅板。釬焊試驗(yàn)?zāi)覆牟捎贸叽鐬?0mm×20mm×3mm的1060純鋁板和尺寸為60mm×20mm×2mm 的TP純銅板。試驗(yàn)前，先對母材進(jìn)行化學(xué)處理，去除表面油污和氧化膜，清洗干凈后風(fēng)干備用。

銅/鋁釬焊接頭采用搭接方式裝配，搭接長度為2mm，搭接間隙為0.3±0.5mm，接頭裝配方法見圖1。釬焊過程中使用釬劑為無腐蝕CsF-AlF3釬劑，熔化區(qū)間為415℃～488℃。釬焊試驗(yàn)采用氧氣—液化石油氣火焰釬焊，釬焊完成后將接頭空冷至室溫。

圖1 釬焊裝配示意圖Fig.1 Diagram of brazed specimen

銅/鋁釬焊接頭的顯微組織、界面結(jié)構(gòu)及斷口形貌采用FEIQuanta 250型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察分析。銅/鋁釬焊接頭的抗剪切強(qiáng)度按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，采用MTS810型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 Zn-Al-Si釬料的熔化特性

圖2為Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si釬料的DTA曲線。根據(jù)Zn-Al二元[8]和Zn-Al-Si三元相圖[10]，在287℃～300℃之間，2種Zn-Al-Si釬料存在共析轉(zhuǎn)變，而在390℃左右，2種釬料發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。Zn-14.1Al-0.9Si釬料的熔化區(qū)間為386℃～440℃，Zn-21.5Al-1.5Si釬料的熔化區(qū)間為390℃～483℃，Zn-14.1Al-0.9Si釬料的熔點(diǎn)較Zn-21.5Al-1.5Si釬料低43℃。

圖2 Zn-Al-Si釬料的DTA曲線Fig.2 DTA analysis of Zn-Al-Si filler metals

2.2 Zn-Al-Si釬料與母材的潤濕性

Zn-14.1Al-0.9Si（1#） 和 Zn-21.5Al-1.5Si（2#）釬料在銅、鋁兩母材上的鋪展面積如圖3所示。Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si釬料在鋁母材上的鋪展面積分別為567mm2和601mm2，而在銅母材上的鋪展面積僅為68mm2和64mm2，2種釬料在鋁母材上的鋪展面積明顯大于在銅母材上的鋪展面積，這與Zn-Al釬料在銅、鋁兩母材上的鋪展規(guī)律極為相似[11]。從圖3中還看出，Al含量較高的Zn-21.5Al-1.5Si釬料在Cu母材上的鋪展面積略小于Zn-14.1Al-0.9Si釬料，而在Al母材上的鋪展面積大于Zn-14.1Al-0.9Si釬料。這是由于，Zn-21.5Al-1.5Si釬料中較高的Al元素含量，促進(jìn)釬料與Cu母材間形成Al-Cu金屬間化合物，抑制了釬料在銅母材上的鋪展[7]；同時(shí)，釬料中含量較高的Al元素，也抑制了釬料中Zn元素向鋁母材中晶間滲透，進(jìn)而促進(jìn)了釬料在Al母材表面的鋪展[8]。

圖3 Zn-Al-Si釬料在母材上的鋪展面積Fig.3 Spreadability of Zn-Al-Si filler metals

2.3 Zn-Al-Si釬料釬焊銅/鋁接頭的顯微組織分析

2.3.1 火焰釬焊Cu/Zn-Al-Si/Al接頭中Cu母材/釬縫界面結(jié)構(gòu)

圖4為Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si釬料釬焊銅/鋁接頭的Cu母材/釬縫界面結(jié)構(gòu)，兩種釬料均能與Cu母材形成良好的冶金結(jié)合，界面處無明顯孔洞、裂紋缺陷。圖4（a）為Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al釬焊接頭Cu母材/釬縫界面結(jié)構(gòu)的顯微組織。從圖中看出，接頭Cu母材/釬縫界面處存在一個(gè)極薄的連續(xù)界面區(qū)。圖4（b）為該界面區(qū)中P區(qū)放大圖，可進(jìn)一步觀察到，該界面區(qū)由淺灰色連續(xù)界面層A（2μm左右）和帶有細(xì)小突起的深灰色界面層B（1～2μm）共同組成。根據(jù)之前文獻(xiàn)[7，12]的研究結(jié)果和A、B界面層的能譜分析結(jié)果（見表1），界面層A是由Cu母材中的Cu原子與釬料中Al原子相互擴(kuò)散而形成的擴(kuò)散層，而界面層B是在Cu母材表面析出的Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物。可見，Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭的界面結(jié)構(gòu)為Cu/擴(kuò)散層/Al4.2Cu3.2Zn0.7層。

圖4 Cu/Al接頭中Cu母材/釬縫界面結(jié)構(gòu)Fig.4 Interface structure near Cu substrate of Cu/Al joint brazed by torch brazing

表1 火焰釬焊Cu/Al釬焊接頭界面物相分析結(jié)果

圖4（c）為Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al釬焊接頭中Cu母材/釬縫界面結(jié)構(gòu)的顯微組織。從圖中看出，接頭界面區(qū)仍主要由一種深灰色物相組成，但界面區(qū)的厚度明顯增大。圖4（d）為該界面區(qū)中Q區(qū)放大圖，進(jìn)一步觀察到，接頭界面區(qū)由淺灰色界面層C（≤1μm）和帶有突起的深灰色界面層D（3～4μm）共同組成。根據(jù)能譜分析結(jié)果，界面層C和D仍分別為擴(kuò)散層和Al4.2Cu3.2Zn0.7層，接頭的界面結(jié)構(gòu)仍為Cu/擴(kuò)散層/Al4.2Cu3.2Zn0.7。界面處Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物層厚度增大是由于Zn-14.1Al-0.9Si 釬料熔點(diǎn)較高，釬焊Cu/Al接頭時(shí)需要更高的釬焊溫度，且釬料中Al元素含量較高，加劇了Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物在Cu母材表面析出[7]。

Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si釬焊接頭的界面結(jié)構(gòu)均為Cu/擴(kuò)散層/Al4.2Cu3.2Zn0.7，這與成分極為接近的Zn-15Al和Zn-22Al釬料釬焊接頭的界面結(jié)構(gòu)差異較大。根據(jù)文獻(xiàn)[3，6，11]研究結(jié)果，Cu/Zn-15Al/Al和Cu/Zn-22Al/Al接頭中Cu母材/釬縫界面界面結(jié)構(gòu)為Cu/CuAl2，且脆性CuAl2化合物層的厚度較大。顯然，由較薄Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物層的界面結(jié)構(gòu)更有利于提高Cu/Al接頭的性能。

2.3.2 Cu/Zn-Al-Si/Al接頭中釬縫中心區(qū)顯微組織

圖5為2種Zn-Al-Si釬料釬焊Cu/Al接頭釬縫中心區(qū)顯微組織。Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭釬縫中心區(qū)顯微組織如圖5（a）所示，從圖中看出 ，接頭釬縫中心區(qū)由灰色物相E、亮白色物相F、層片狀共晶組織G和細(xì)小的顆粒H組成。根據(jù)表2中的能譜分析結(jié)果和之前文獻(xiàn)的研究結(jié)果[6，11]，灰色物相E為α-Al固溶體，亮白色物相F為η-Zn，共晶組織G為Zn-Al共晶，顆粒H為Si單質(zhì)。

圖5（b）為Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭中心區(qū)顯微組織。從圖中看出，接頭組織由灰色物相I、亮白色物相J、層片狀共晶組織K和細(xì)小顆粒L組成。根據(jù)能譜分析結(jié)果，Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭中心區(qū)物相組成與Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭一致，灰色物相I為α-Al固溶體，亮白色物相J為η-Zn，共晶組織K為Zn-Al共晶，顆粒L為Si單質(zhì)。但是，由于Zn-21.5Al-1.5Si釬料較Zn-14.1Al-0.9Si釬料中Al元素含量高，Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭釬縫中α-Al固溶體的含量較高，而η-Zn和Zn-Al共晶的含量較低。

圖5 Cu/Al接頭釬縫中心區(qū)顯微組織Fig.5 Microstructure of filler metal central zone of Cu/Al joint

表2 火焰釬焊Cu/Al釬焊接頭釬縫中心區(qū)物相分析結(jié)果

值得注意的是，Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭中心區(qū)未發(fā)現(xiàn)CuAl2化合物。根據(jù)之前的研究結(jié)果，采用Zn-Al釬料（Zn-15Al和Zn-22Al）釬焊的Cu/Al接頭中均存在塊狀脆性CuAl2化合物，CuAl2化合物增加了接頭的脆性，惡化接頭的力學(xué)性能[6，11]。Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al和 Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭中由固溶體和共晶組織組成的釬縫，更有利改善接頭的韌性，提升接頭的力學(xué)性能。

2.4 Zn-Al-Si釬料釬焊銅/鋁接頭的抗剪切強(qiáng)度

圖6為2種Zn-Al-Si釬料釬焊Cu/Al接頭的抗剪切強(qiáng)度。Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭的抗剪切強(qiáng)度分別為60.1MPa和55.6MPa，Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭的抗剪切強(qiáng)度較Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭高8%。2種Zn-Al-Si釬料釬焊Cu/Al接頭的強(qiáng)度均達(dá)到了Al母材強(qiáng)度的80%，均具有較好的抗剪切性能。

圖6 Cu/Al接頭的抗剪切強(qiáng)度Fig.6 Shear strength of Cu/Al joint

圖7 Cu/Al接頭的斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of Cu/Al joint

圖7為2種Zn-Al-Si釬料釬焊Cu/Al接頭的斷口形貌。圖7（a）為Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭的斷口形貌，從圖中看出，該接頭斷口組織較為細(xì)小，由2種解理面M和N組成。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，解理面M的成分為48.78Al-37.37Cu-13.85Zn，解理面N的成分為22.12Al-54.06Cu-23.82Zn。根據(jù)2.3.1節(jié)中對Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭界面結(jié)構(gòu)的分析，可以確定解理面M為Cu母材/釬縫界面處Al4.2Cu3.2Zn0.7層發(fā)生斷裂而形成，而解理面N為界面處擴(kuò)散層發(fā)生斷裂而形成。

圖7（b）為Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭的斷口形貌。從圖中看出，該接頭的斷口明顯為脆性穿晶斷裂，且斷口組織較為粗大。對斷口中解理面U進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，該解理面成分為46.13Al-43.37Cu-10.5Zn，根據(jù)2.3.1節(jié)中Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭界面結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，可以確定該接頭斷裂主要發(fā)生在界面Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物層處。

3 結(jié)論

（1）Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭具有較優(yōu)的界面結(jié)構(gòu)，均為Cu/擴(kuò)散層/Al4.2Cu3.2Zn0.7。且2種接頭界面處金屬間化合物Al4.2Cu3.2Zn0.7層的厚度較小，厚度僅為1～2μm和3～4μm。

（2）Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接頭和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭釬縫中心區(qū)由α-Al固溶體，η-Zn固溶體，Zn-Al共晶和Si單質(zhì)組成，釬縫中心區(qū)未發(fā)現(xiàn)CuAl2

化合物。

（3）Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接 頭和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接頭的抗剪切強(qiáng)度分別為60.1MPa和55.6MPa，均具有較好的抗剪切強(qiáng)度。Zn-14.1Al-0.9Si較Zn-21.5Al-1.5Si釬料是理想的Cu/Al異種金屬釬焊用釬料。

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