采用 Al－Cu－Si－Ni钎料钎焊5A06合金接头组织与性能

0 前言

铝镁合金属于不可热处理强化合金，其比强度和塑性高，兼具良好的耐腐蚀性、导电性、可加工性及焊接性，因此被广泛应用于航空、航天、电子、船舶、汽车等行业［1－3］。其中，海军舰艇与航天结构材料的应用进一步推动了5A06合金的发展。随着5A06铝合金在船舶等领域中的应用不断增加，5A06合金的钎焊备受关注。然而，由于5系铝合金中镁含量超过2.0%（质量分数），在钎焊过程中金属表面会形成富镁氧化膜，难以形成可靠接头［4－7］。高含Mg量的铝合金在钎焊过程中还可观察到母材向钎料中溶解的现象。通常采用Al－12Si合金钎焊铝合金，但其熔点过高（577℃）导致钎焊温度需在590℃以上。钎焊温度过高会造成接头局部熔化，降低其力学性能［8－9］。目前，已有报道通过向Al－Si合金中添加铜、锗、锌、锡、稀土等元素降低钎料合金熔点［10］。

文中采用自制Al－Cu－Si－Ni钎料对5A06合金进行真空钎焊以获得高强度5A06铝合金接头。为优化钎焊工艺参数，对不同钎焊条件下的接头微观组织演变及力学性能进行研究。

式中：Z1、Z2为河底高程，m；Y1、Y2为断面水深，m；α1、α2为动能修正系数；he为水头损失，m；L为断面平均距离，m；Sf为两断面间沿程水头损失坡度；C为水头损失或扩张系数。

1 试验材料及试验方法

试验采用 Al－30Si合 金、Al－50Cu 合 金、99.99%（质量分数）高纯铝及纯镍作为原料在感应熔炼炉中制备Al－Cu－Si－Ni钎料合金，熔炼前进行去氧化膜处理，熔炼时炉中通入高纯度氩气，避免金属氧化。为使钎料合金成分均匀，合金需反复熔炼3次。将尺寸为300 mm×200mm×30mm的铸锭经多道次轧制为0.1 mm厚。冷轧态5A06铝合金母材与Al－Cu－Si－Ni钎料合金成分见表1及表2。利用差热分析法确定Al－Cu－Si－Ni钎料的固液相温度，结果见表3。

表1 5A06铝合金化学成分（质量分数，%）

Al≤0.4 ≤0.1 0.5～0.8 5.8～6.8 ≤0.2 0.02～0.10 ≤0.005 ≤0.4 Si Cu Mn Mg Zn Ti Be Fe余量

采用机加工方法将5A06母材加工成10mm×10 mm×2mm和60mm×20mm×2mm两种规格，分别用于微观组织观察与力学性能研究。试验前母材与钎料表面依次使用不同级别砂纸打磨，置于丙酮内进行超声波清洗、烘干，以去除表面油污及氧化物。装配时将钎料夹在两片母材中间，用于拉伸试验的试样以搭接方式连接，搭接宽度为3mm。采用真空钎焊方法，升温速度约为10℃／min，真空度不低于2.0×10－3 Pa。钎焊温度分别为540℃及550℃，钎焊保温时间分别为5min，15min及30min，将其分别标记为“540℃－5min”，“540℃－15min”及“540℃－30min”等等。

表2 Al－Cu－Si－Ni钎料化学成分（质量分数，%）

Al 20.5 5.0 2.0 Cu Si Ni余量

表3 试验金属固液相温度 ℃

材料 TS TL 5A06 555.0 623.5 Al－Cu－Si－Ni 517.5 525.3

为确定不同钎焊工艺下接头的剪切强度，采用拉伸试验机在室温下对试样进行拉伸试验，拉伸速度为0.5mm／min，测量3次取平均数值以确保数据可靠性。利用扫描电镜（SEM）观察试样的微观结构与拉伸断口形貌，通过能谱仪（EDS）分析微区成分的元素分布，确定物相。通过LEICA－VMHT－30M电子显微硬度计测量试样的韦氏硬度，压力载荷200g，保压时间10s。

2 试验结果与讨论

Al－Cu－Si－Ni钎料的微观结构如图1所示。对图1a中相应区域进行EDS元素分析，结果见表4。结合图1b成分面扫描结果可知，钎料微观组织由深色的富Al相、灰白色的CuAl2相、Al－Si金属间化合物以及一些固溶Si颗粒组成。

图1 Al－Cu－Si－Ni钎料微观结构

表4 图1a中各点EDS元素分析结果

名义化学成分（原子分数，%）标识物相Al Cu Si Ni A 70.14 28.93 0.50 0.43 CuAl 2 B 81.88 0.16 17.80 0.16 Al－Si C 94.23 0.28 5.19 0.30 富 Al相D 4.79 0.33 94.71 0.17 富Si相

图2为540℃－5min钎焊接头界面微观结构。由图2a可知，Al－Cu－Si－Ni钎料与5A06铝合金母材结合良好，形成连续的过渡层，未观察到孔隙、裂纹等缺陷。Si元素与Mg元素大量聚集在结合界面处，钎料内部可观察到部分Ni，Cu元素的偏析，如图2b所示。对图2c中各点作进一步成分分析，结果见表5，可知钎料中部大量白色树枝状物相为CuAl2，钎料中的Si元素向母材方向发生扩散，在结合界面处与母材中的Mg元素形成黑色的Mg2Si相，Mg2Si相邻的浅灰色物相为α－Al，钎焊后仍可观察到一些Si颗粒嵌入钎料内部的CuAl2中。

使用Panther 与Tigris进行常规标本的平行检测。50份联检及20份鉴别样本的两台仪器检测结果一致，通过公式计算性能指标，Panther 与Tigris的联检及鉴别定性检测符合率为100%。参照2017原卫生部临检中心室间质评结果，准确度为100%。本实验室Panther混样联检及拆分定性检测符合《核酸检测项目性能验证标准操作程序》中正确度性验证通过标准。

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表5 图2c中各点EDS元素分析结果

名义化学成分（原子分数，%）标识物相Al Cu Si Mg Ni A 68.06 23.46 0.47 0.87 7.14 CuAl 2 B 4.61 0 35.28 60.10 ― Mg2Si C 80.06 18.10 0.08 1.56 0.20 α－Al D 0.23 0.18 余量 0.45 ―Si

不同钎焊工艺参数下接头界面的微观结构如图3所示。各接头可观察到明显的钎料区域及扩散区域。结合图2a可知，随着钎焊温度的升高以及钎焊保温时间的增长，扩散区域宽度增加，且钎料内部白色的CuAl2逐步在钎料晶界处趋于分散。由于金属表面原子的排列不规则，且基体上扩散激活能较低，钎料中的Cu元素扩散尤其迅速。此外，在钎料与基体界面可观察到多边形、条状Si。这是因为在扩散过程中，一旦在晶界中形成“液相流道”，Si会同CuAl2一同流入，从钎料中向基体扩散。根据强化理论，细小球化的Si颗粒阻碍位错运动，提高材料强度。这与在钎料中添加Ni有很大关系。在钎料合金中添加Ni元素可补偿CuAl2的脆性。

图2 540℃－5min钎焊接头界面微观结构

图3 不同钎焊工艺参数下5A06接头界面微观结构

钎焊接头的微观硬度与接头质量密切相关。外力作用时，接头发生塑性变形，脆硬相及其周围组织几乎不产生塑性变形，因此会在接头局部产生应力集中，导致裂纹的萌生与扩展［11］。试样钎焊前经试验分析可知，母材5A06铝合金垂直轧制方向的截面维氏硬度约105HV，Al－Cu－Si－Ni钎料合金微观硬度约75HV。不同钎焊工艺参数下接头的维氏硬度如图4所示。由于钎焊接头的微观组织及其分布对接头微观硬度具有重要影响。在扩散区域，Mg，Si含量高于中心区域，形成Mg2Si，CuAl2等高硬度金属间化合物。因此，结合界面扩散区域硬度较高，钎料中部位置硬度最低。

图5为不同钎焊工艺参数下 Al－Cu－Si－Ni钎料钎焊5A06铝合金接头的剪切强度。由此可知钎焊温度与

图4 Al－Cu－Si－Ni钎焊5A06铝合金接头界面维氏硬度

保温时间对接头剪切强度具有显著的影响。540℃钎焊5min时接头平均剪切强度最低，仅为45MPa。550℃钎焊30min时接头平均剪切强度达到峰值，即74 MPa。在相同钎焊温度下，接头强度随着钎焊时间增加而提高。550℃钎焊的接头强度明显高于540℃钎焊的接头。这与之前的接头微观结果分析一致。温度较低，保温时间较短时，接头中连续分布的大块金属间化合物较多，致使剪切强度降低。当钎焊温度升高，保温时间增长，大块金属间化合物数量减少，剪切强度提高。此外，值得注意的是，在某些拉伸试验中，断裂发生在基体，接头剪切强度接近基体。优异的强度与钎料中Ni元素的添加有关。Ni元素可细化Si颗粒及树枝状CuAl2晶粒，改善其分布均匀性［10］。

图5 5A06钎焊接头剪切强度

图6 5A06接头断口形貌

各接头拉伸试验后的断口形貌如图6所示，从形貌上判断断裂形式为解理断裂。钎焊时间为5min时，断口上观察到较平坦的未结合区域，如图6a～6d所示。随着钎焊时间的增长，未结合区域消失。因此，与钎焊15min和30min相比，5min钎焊时接头剪切强度较低。

3 结论

（1）接头界面结合区域可观察到 Mg2Si，CuAl2，α－Al等物相。随着钎焊温度的升高以及保温时间的增长，界面微观组织发生变化，CuAl2逐步向基体中扩散。

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（2）钎料中部位置硬度最低，结合界面扩散区域硬度较高。540℃钎焊5min时接头平均剪切强度仅为45MPa。550℃钎焊30min时接头平均剪切强度可达74MPa。各接头拉伸后从形貌上判断为解理断裂。

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