鍍鎳與鍍銅對(duì)SiCp/6063Al復(fù)合材料真空釬焊接頭剪切強(qiáng)度的影響

王 鵬，高 增，李 強(qiáng)，程?hào)|鋒，田金峰，牛濟(jì)泰,2,3

（1.河南理工大學(xué)材料學(xué)院，焦作454000; 2.先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001；3.河南晶泰航空航天高新材料科技有限公司，焦作454000）

0 引 言

SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）因具有高的比強(qiáng)度、比剛度、比模量，抗輻射和較小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備和電子等行業(yè)[1-2]，尤其在相控陣?yán)走_(dá)T/R模塊電子封裝領(lǐng)域，高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料集質(zhì)輕、尺寸穩(wěn)定性好、耐高溫等優(yōu)良特性于一身，成為傳統(tǒng)電子封裝材料的替代品[3-4]。目前，SiCp/Al復(fù)合材料常用的焊接方法有熔化焊[5-6]、擴(kuò)散焊[7]、釬焊[8]等，但采用常規(guī)的熔化焊很難形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，而高能量密度激光及電子束焊[9]又不能克服過(guò)量的界面反應(yīng)問(wèn)題，擴(kuò)散焊則易在施焊時(shí)由壓力造成SiC顆粒的破壞。真空釬焊在真空環(huán)境下施焊，無(wú)需加入釬劑，避免了復(fù)雜的焊劑清洗工序，降低了生產(chǎn)成本；而且，真空釬焊的加熱時(shí)間短，加熱溫度低，對(duì)增強(qiáng)體不會(huì)造成較大的損失，被認(rèn)為是焊接復(fù)合材料最有效的方法之一。然而基體合金和SiC顆粒的物化性能存在較大差異，這嚴(yán)重影響了釬料對(duì)它們的潤(rùn)濕鋪展；而且焊后較低的氣密性也阻礙了SiCp/Al復(fù)合材料在電子封裝中的應(yīng)用。有研究表明，通過(guò)真空加壓釬焊以及復(fù)合材料表面金屬化[10]可改善SiCp/Al復(fù)合材料的焊接性和氣密性。鑒于此，作者對(duì)含有60%（體積分?jǐn)?shù)）SiCp的SiCp/6063Al復(fù)合材料（記為60%SiCp/6063Al復(fù)合材料）表面分別進(jìn)行鍍鎳與鍍銅處理，然后采用箔狀釬料（鋁-銅-鎂共晶釬料）對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行真空加壓釬焊，研究了鍍鎳和鍍銅對(duì)復(fù)合材料釬焊后剪切強(qiáng)度的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為采用壓力浸滲法制備的SiCp體積分?jǐn)?shù)60%的SiCp/6063Al復(fù)合材料，其抗彎強(qiáng)度為390 MPa。由圖1可見(jiàn)，復(fù)合材料中的SiCp增強(qiáng)相呈不規(guī)則多邊形，平均粒徑為60μm。釬料為鋁-銅-鎂共晶箔狀釬料，其固-液相線為505～550℃，釬料厚度為50～60μm，韌性良好，可加工成卷。

圖1 SiCp/6063Al復(fù)合材料的顯微組織Fig.1 The microstructure of the SiCp/6063Al compsites

采用數(shù)控電火花線切割方法將SiCp/6063Al復(fù)合材料加工成尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的試樣。由于復(fù)合材料表面存在Al2O3膜、油污等雜質(zhì)，焊前必須進(jìn)行預(yù)處理[10-11]。預(yù)處理流程如下(下述所用水均為蒸餾水)：砂紙粗磨→水洗→超聲波水洗15 min→超聲波丙酮清洗10 min→質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH溶液腐蝕20 s→超聲波水洗5 min→電凈5 s→超聲波酒精清洗5 min→取出、冷風(fēng)吹干待焊。此時(shí)可獲得具有活性的預(yù)處理試樣，其表面呈灰亮色；然后按照作者課題組研發(fā)的電刷鍍鍍銅工藝和化學(xué)鍍鍍鎳工藝分別對(duì)部分預(yù)處理復(fù)合材料進(jìn)行表面金屬化處理，復(fù)合材料表面覆蓋有一層厚度約20 μm的銅或鎳。

然后在ZHS-60型真空釬焊爐中分別對(duì)金屬化處理前后的復(fù)合材料進(jìn)行真空加壓釬焊，釬焊壓力約4 kPa，真空度為1×10-3Pa；釬焊接頭均采用單面搭接形式，搭接長(zhǎng)度為8～10 mm，釬焊夾具見(jiàn)圖2，30 min升溫至570℃，分別保溫10，30，50，70 min后隨爐冷卻至100℃，即完成釬焊試驗(yàn)。將未處理過(guò)的復(fù)合材料、表面鍍銅復(fù)合材料、表面鍍鎳復(fù)合材料釬焊后的接頭分別記為1#、2#、3#釬焊接頭。

圖2 加壓釬焊夾具示意Fig.2 Schematic diagram of jig for brazing in pressure

剪切試驗(yàn)在IIC-MST-100型電子萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為室溫，拉伸速度為0.2 mm·min-1；采用HITACHI S-4700型掃描電子顯微鏡觀察鍍層及接頭的形貌，并用電鏡附帶的能譜儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)成分分析；鍍層與基體的結(jié)合情況在WS-2005型涂層附著力自動(dòng)劃痕儀上進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)采用動(dòng)載荷（100 N）和聲發(fā)射結(jié)合的方式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鍍金屬后復(fù)合材料的表面形貌

對(duì)比圖3（a）和圖4（a）可見(jiàn)，復(fù)合材料表面的鍍鎳層和鍍銅層的厚度相當(dāng)，約為20 μm，但鍍銅層較鍍鎳層更加平整、均勻。

對(duì)于表面鍍鎳復(fù)合材料，在SiC/Al界面處初期沉積物鎳首先按鋁的晶格外延生長(zhǎng)出現(xiàn)微晶層，隨后吸附原子擴(kuò)散遷移、碰撞結(jié)合并與界面上的SiC晶格匹配生長(zhǎng)，晶粒不斷長(zhǎng)大形成半圓形的粒子[11]，粒子堆積并向各個(gè)方向生長(zhǎng)，使基體表面覆蓋一層連續(xù)的金屬鎳層，如圖3（b）所示；在多個(gè)粒子的交界面常存在應(yīng)力，易造成孔洞缺陷，因“毛細(xì)作用”反而提高釬料的潤(rùn)濕效果。通過(guò)劃痕試驗(yàn)可知，鍍鎳層沒(méi)有從基體表面剝落，表明與基體結(jié)合緊密，如圖3（c）所示。

圖3 SiCp/6063Al復(fù)合材料表面鍍鎳后的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of SiCp/6063Al composite after plating nickel:(a) section morphology;(b) surface morphology and(c) scratch morphology

圖4 SiCp/6063Al復(fù)合材料表面鍍銅后的SEM形貌Fig.4 SEM morphology SiCp/6063Al composites after plating copper:(a) section morphology;(b) surface morphology and(c) scratch morphology

鍍銅層表面較平整、均勻、細(xì)密，沒(méi)有出現(xiàn)圓形粒子堆砌的現(xiàn)象，如圖4（b）所示，這是電刷鍍單向重復(fù)運(yùn)動(dòng)的工藝特點(diǎn)決定的，電刷鍍具有沉積速度大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以避免化學(xué)鍍過(guò)程中鍍層積累應(yīng)力的缺點(diǎn)。劃痕試驗(yàn)后，鍍銅層剝落，斷裂發(fā)生在鍍層與基體鋁合金的結(jié)合處，同時(shí)可見(jiàn)少量SiC顆粒，如圖4（c）所示，這表明鍍銅層與復(fù)合材料基體結(jié)合牢固，可達(dá)到改性SiCp/Al基體表面的目的，從而使其具有良好的焊接性能。

劃痕試驗(yàn)表明，兩鍍層均能均勻沉積在復(fù)合材料表面，與基體結(jié)合良好。

2.2 釬焊接頭的剪切強(qiáng)度

由圖5可知，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，三種釬焊接頭的剪切強(qiáng)度均升高。這是因?yàn)殡S著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，釬料的活性增強(qiáng)，其對(duì)母材表面的潤(rùn)濕越來(lái)越充分，因而釬焊接頭的剪切強(qiáng)度有所提高；尤其是2#釬焊接頭，其剪切強(qiáng)度在保溫30 min后增大很明顯，保溫70 min后達(dá)到55.4 MPa。1#釬焊接頭的剪切強(qiáng)度最高為41.7 MPa，連接質(zhì)量一般[10,12]，但是強(qiáng)度介于2#和3#釬焊接頭之間，這說(shuō)明在該試驗(yàn)條件下進(jìn)行真空加壓釬焊，通過(guò)電刷鍍?cè)趶?fù)合材料表面鍍銅能夠提高接頭的剪切強(qiáng)度，而化學(xué)鍍鍍鎳反而破壞了接頭的有效連接，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低。

圖5 保溫時(shí)間與三種釬焊接頭剪切強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Shear strength of three brazed joints for different holding times

2.3 釬焊接頭的微觀形貌及剪切斷口形貌

為更好地觀察并分析釬焊接頭中各元素的分布情況，采用背散射電子（BSE）分析方法表征三種接頭的形貌，如圖6所示。

圖6 保溫不同時(shí)間1#釬焊接頭的背散射電子像Fig.6 BSE images of brazed joints 1#for different holding times

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)保溫時(shí)間為10 min時(shí)，因釬料箔吸熱少，熔化不完全，所以釬料向母材基體中溶解、擴(kuò)散得不充分，凝固前沿與母材存在明顯的界面，并伴有微孔洞等缺陷；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至30 min時(shí)，釬料完全熔化，活性增強(qiáng)，釬縫致密完整，由于熔融釬料中的鎂、銅等活性元素向近側(cè)母材基體中下坡擴(kuò)散充分(見(jiàn)表1），造成母材基體局部溶質(zhì)富集，對(duì)SiC顆粒產(chǎn)生推斥力，當(dāng)推斥力大于金屬液的粘滯阻力時(shí)，部分較小尺寸的SiC顆粒將由母材兩側(cè)向釬料中遷移，但因運(yùn)動(dòng)時(shí)間短，未能到達(dá)釬料中；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至50 min和70 min后，細(xì)小的SiC顆粒被熔融釬料的凝固界面吞沒(méi)，成功遷移至釬料中形成復(fù)合釬料，如圖6（c～d）所示，此時(shí)釬焊接頭的性能更加接近于母材的，因而釬焊接頭具有較高的剪切強(qiáng)度。

表1 圖6中A點(diǎn)和圖7中B點(diǎn)的EDS分析結(jié)果Tab.1 EDS analysis results of point A in Fig.6 wand point B in Fig.7 %

由圖7可見(jiàn)，在不同保溫時(shí)間下，2#釬焊接頭中活性鍍銅層均向釬料和母材中充分?jǐn)U散，鍍層基本消失。由表1能譜分析可知，活性元素銅主要參與圖中白色相（富銅相）的生成，且白色相聚集在SiC顆粒邊緣，有助于改善釬料對(duì)SiC顆粒的潤(rùn)濕性。當(dāng)保溫時(shí)間為10 min時(shí)，釬料未完全熔化，活性較低，釬焊接頭中存在較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋在釬料白色相中起源并擴(kuò)展，最終造成較大裂紋缺陷，如圖7（a）所示；隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，釬料完全熔化，與復(fù)合材料基體的溶解和互擴(kuò)散作用增強(qiáng)，釬焊接頭致密完整，無(wú)明顯缺陷，雖然SiC顆粒未遷移至釬料內(nèi)部，但是釬料中白色富銅相的生成能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高釬焊接頭的力學(xué)性能。

在570℃的釬焊溫度下，鎳較銅的擴(kuò)散激活能高，因而鍍鎳層向釬料與基體中的擴(kuò)散作用較鍍銅層的弱。在4種保溫時(shí)間下，3#釬焊接頭均產(chǎn)生了裂紋，如圖8所示。當(dāng)保溫時(shí)間為10 min時(shí)，未完全熔化的釬料活性較低，減弱了與鍍鎳層的傳質(zhì)作用。在隨爐冷卻過(guò)程中，因釬料、鍍層（金屬）與母材(SiCp/6063Al復(fù)合材料）的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致焊后存在較大的殘余應(yīng)力；同時(shí)保溫時(shí)間短，化學(xué)鍍鎳產(chǎn)生的應(yīng)力集中不能完全消除。當(dāng)釬料與鍍層的結(jié)合力大于鍍層與母材的結(jié)合力時(shí)，鍍層與母材就發(fā)生剝離，產(chǎn)生較大的間隙，如圖8（a）所示。鍍層與釬料之間因擴(kuò)散作用較弱，也存在明顯的小間隙。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，鍍層與母材間的應(yīng)力消除，兩者結(jié)合緊密，沒(méi)有出現(xiàn)鍍層剝離的現(xiàn)象，如圖8（b～d）。當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間后，釬料熔化完全，此時(shí)液態(tài)釬料與鍍鎳層間的互擴(kuò)散作用增強(qiáng)，可使釬料與鍍鎳層結(jié)合界面處的裂紋變窄，但裂紋并沒(méi)有消除。這表明570℃釬焊溫度下，鋁-銅-鎂共晶箔狀釬料不適于真空釬焊化學(xué)鍍鎳處理的60%SiCp/6063Al復(fù)合材料。

圖7 保溫不同時(shí)間2#釬焊接頭的背散射電子像Fig.7 BSE images of brazed joints 2#for different holding times

圖8 保溫不同時(shí)間3#釬焊接頭的背散射電子像Fig.8 BSE images of brazed joints 3#for different holding times

由圖9和圖10可見(jiàn)，1#釬焊接頭的斷口呈金屬色（光亮），即釬料本身的外觀色，說(shuō)明在該條件下鋁-銅-鎂共晶釬料對(duì)復(fù)合材料的潤(rùn)濕和鋪展作用較強(qiáng)，接頭釬焊質(zhì)量高，斷裂發(fā)生在釬料層內(nèi)部，沿拉伸方向出現(xiàn)剪切流，并且存在極少量凸起的SiC顆粒，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。2#釬焊接頭剪切斷裂發(fā)生在釬料層（矩形框A）與復(fù)合材料內(nèi)部[10]（矩形框B），而且兩個(gè)斷裂位置毗鄰釬料與復(fù)合材料的結(jié)合界面；由于鍍銅層在釬焊過(guò)程中起連接釬料與母材鋁基體的作用，能夠促進(jìn)兩者之間原子的互擴(kuò)散，極大地提高釬料對(duì)復(fù)合材料的潤(rùn)濕效果，因而釬料與復(fù)合材料緊密結(jié)合，成為統(tǒng)一整體，而大量凸起的SiC顆粒作為增強(qiáng)相，能夠較大程度提高剪切強(qiáng)度。3#釬焊接頭剪切斷口的色澤與復(fù)合材料預(yù)處理后的色澤類似，釬焊后鍍鎳層與母材基體剝離，接頭連接質(zhì)量最差。因此，采用電刷鍍?cè)赟iCp/6063Al復(fù)合材料表面鍍銅后，再在570℃采用鋁-銅-鎂共晶箔狀釬料進(jìn)行真空加壓釬焊可提高釬焊接頭的連接質(zhì)量。

圖9 不同釬焊接頭剪切斷口的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of shear fracture of brazed joints 1#(a),2#(b) and 3#(c)

圖10 不同釬焊接頭剪切斷口的宏觀形貌Fig.10 Macrograph of shear fracture of different brazed joints

3 結(jié) 論

（1）SiCp/6063Al復(fù)合材料表面鍍銅與鍍鎳層均與基體結(jié)合緊密。

（2）在570℃的釬焊溫度下，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度都逐步增大；與表面鍍鎳及未鍍金屬的相比，表面鍍銅復(fù)合材料接頭的剪切強(qiáng)度更高，且其剪切斷裂發(fā)生在釬料層和復(fù)合材料內(nèi)部，接頭的剪切強(qiáng)度最高可達(dá)55.4 MPa；鍍鎳會(huì)降低接頭的剪切強(qiáng)度。

[1]ELLS M B D.Joining of aluminum based metal matrix composites[J].International Materials Reviews,1996,41(2)∶41-58.

[2]SRIVATSAN T S,IBRAHIM I A,MOHAMED F A,et al.Processing techniques for particulate reinforced metal aluminium matrix composites[J].Journal of Materials Science,1991,26 (22)∶5965-5978.

[3]牛濟(jì)泰，盧金斌，穆云超，等.SiCP/ZL101復(fù)合 材料與可伐合金4J2 9釬焊的分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31(5)∶37-40.

[4]劉玫譚，蔡旭升，李國(guó)強(qiáng).高性能SiC增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的顯微組織和熱性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)2013，23(4)∶1040-1046.

[5]李杏瑞，牛濟(jì)泰，楊順成.SiCp/6061鋁基復(fù)合材料電阻電焊接頭中的缺陷分析[J].機(jī)械工程材料，2013,37(4)∶14-16.

[6]STORJOHANN D,BARABASH O M,BABU S S,et al.Fusion and friction stir welding of aluminum metal matrix composites[J].Metallurgical Materials Transactions∶A,2005,36(11)∶3237-3247.

[7]MAITYA J,PALB T K,MAITIC R.Transient liquid phase diffusion bonding of 6061-15wt% SiCp in argon environment[J].Journal of Materials Processing Technology,2009,209(7)∶3568-3580.

[8]NIU Ji-tai,LUO Xiang-wei,TIAN Hao,et al.Vacuum brazing of aluminium metal matrix composite (55vol.%SiCp/A356) using aluminium-based filler alloy[J].Materials Science and Engineering∶B,2012,177(19)∶1707- 1711.

[9]季小輝，王少剛，董桂萍.SiCp/101Al復(fù)合材料電子束焊接接頭溫度場(chǎng)對(duì)其顯微組織的影響[J].機(jī)械工程材料，2009，33(5)∶97-100.

[10]LU Jin-bin,MU Yun-chao,LUO Xiang-wei,et al.A new method for soldering particle-reinforced aluminum metal matrix [J].Materials Science and Engineering∶B,2012,177(20)∶1759-1763.

[11]李麗波，安茂忠，武高輝.SiCp/Al復(fù)合材料與化學(xué)鍍鎳層結(jié)合機(jī)理研究[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2005,21（7）：982-986.

[12]李杏瑞，楊滌心，肖宏濱.碳化硅鋁基復(fù)合材料的釬焊[ J].洛陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(1)∶19-22.