CuSnTi复合钎料原位反应机制与接头组织性能

简化CuSnTi钎料制备流程、降低生产成本对高性能工具的发展至关重要。本文通过直接机械混合Cu、Sn、Ti单质金属粉制备CuSnTi钎料,并用于钎焊PcBN/YG8异质材料,研究不同反应温度下CuSnTi钎料的微观组织演化,揭示钎焊过程中钎料的原位反应机制,并分析接头组织与性能。结果表明:CuSnTi钎料原位反应主要分为3个阶段:第一阶段,Sn熔化与Cu发生反应依次形成Cu_(6)Sn_(5)与Cu_(3)Sn;第二阶段,Ti颗粒周围依次形成CuTi、Cu_(4)Ti_(3)、CuTi_(3)与CuSn_(3)Ti_(5);第三阶段,液态钎料与石墨基体反应形成TiC,然后凝固析出不规则CuSn_(3)Ti_(5)。利用机械混合粉末钎料和合金粉钎料钎焊的PcBN/YG8接头均为冶金结合,其剪切强度分别为96.06 MPa和91.40 MPa。机械混合粉末钎料钎焊的接头在PcBN处发生断裂,具有优良的力学性能。

Ag-CuO-NiO-LiAlSiO_(4)复合钎料空气反应钎焊GH3128/Al_(2)O_(3)接头组织及性能

以Ag-CuO-NiO-LiAlSiO_(4)复合钎料对GH3128高温合金与Al_(2)O_(3)陶瓷进行空气反应钎焊(RAB)连接,研究了NiO和LiAlSiO_(4)添加量对钎焊接头显微结构和力学性能的影响,分析了接头的界面微观结构及其形成机制。结果表明,钎焊过程中,GH3128合金表面生成了包括CuCrO_(4)内氧化层和NiO外氧化层的复合氧化反应层,Al_(2)O_(3)陶瓷表面生成了以CuAl_(2)O_(4)为主要成分的界面层。NiO的添加明显改善了复合钎料在合金侧的润湿性,而锂霞石(LiAlSiO_(4))的添加减小了钎缝与母材间的热失配,极大地改善了键合接头的连接性能。最终,使用含0.3%NiO(质量分数)和4%LiAlSiO_(4)(质量分数)的Ag-10%CuO复合钎料钎焊GH3128合金和Al_(2)O_(3)陶瓷,获得了61.8 MPa的最大剪切强度。此时,接头界面结构为GH3128/CuCrO_(4)+CrNi3+NiO+CuO/Ag+CuO+LiAlSiO_(4)/CuAl_(2)O_(4)/Al_(2)O_(3)。

用于钎焊C/C复合材料的稀土改性还原氧化石墨烯增强AgCuTi复合钎料

为了解决钎焊接头中脆性化合物的形成问题,我们设计了一种创新性的稀土改性还原氧化石墨烯增强AgCuTi复合钎料,进而获得了以Ag-Cu共晶为主要组织且脆性化合物生成量合适的钎焊接头。对比分析了有无稀土Ce改性的复合钎料的成分和显微组织,结果表明,经Ce改性后的还原氧化石墨烯在钎料中更加均匀分散。比较了分别采用有无Ce改性的钎料钎焊C/C复合材料-C/C复合材料接头的界面微观结构,并研究了石墨烯含量对接头组织和性能的影响。结果表明,由于经Ce改性的钎料中的还原氧化石墨烯分散性更好,从而细化了焊缝组织,且物相分布更均匀,使得接头的剪切强度明显提高。当石墨烯含量为0.5 wt.%时,使用Ce改性的钎料所得钎焊接头的平均剪切强度最高,为31.82 MPa,提高了50%。

保温时间对Ni-Sn复合钎焊接头组织性能的影响

针对Ni/Ni-Sn/Ni复合钎焊,提出采用界面金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)层厚度及钎缝内部IMC含量(体积分数)分别表征钎焊过程中界面及钎缝内部组织演变进程,研究保温时间对Ni-Sn复合钎焊接头组织性能的影响。结果表明:接头内只生成一种金属间化合物Ni_(3)Sn_(4),主要分布在母材界面和钎缝内所有Ni颗粒周围;界面IMC层厚度及钎缝内部Ni_(3)Sn_(4)含量均随着保温时间的增加不断增加,当保温240 min时,金属间化合物含量高达83.23%,形成了由Ni_(3)Sn_(4)化合物以及残余Ni颗粒组成的耐高温钎焊接头;接头剪切强度随保温时间的增加呈先上升后缓慢下降的趋势,断裂位置由钎缝内部向界面转移,当保温180 min时,接头的剪切强度达到最大值28.47 MPa,此时断裂位置刚好发生在界面IMC层处。

银镍金属微细颗粒对锡铅基复合钎料力学性能的影响

运用弥散强化原理,分别选用Ag颗粒和Ni颗粒作为增强体,以63Sn37Pb共晶钎料为基体,制成金属颗粒增强锡铅基复合钎料。在再流焊条件下,弥散分布的增强体与基体冶金结合,在增强体表层形成一薄层金属间化合物,从而使复合钎料蠕变性能大幅度提高。试验证明:在相同条件下,与基体钎料63Sn37Pb相比,5%Ag(体积分数,下同)和10%Ag颗粒增强锡铅基复合钎料蠕变寿命分别提高了8倍和6倍,同时抗拉强度和剪切强度均得到提高;5%Ni和10%Ni颗粒增强锡铅基复合钎料蠕变寿命分别提高了84倍和185倍,但剪切强度和延伸率均明显降低。

等温时效对新型Sn-Ag基复合钎料显微组织和力学性能的影响

研究了等温时效对Sn-3.5Ag共晶钎料及其复合钎料的力学性能和显微组织变化的影响。为了弥补传统复合钎料制备和服役中强化颗粒容易粗化的问题,制备了不同种类最佳配比的具有纳米结构的有机-无机笼型硅氧烷齐聚物(POSS)颗粒增强的Sn-Ag基复合钎料。对钎焊接头在不同温度(125、150、175℃)下进行时效,通过SEM和EDAX分析了钎料与基板间金属间化合物层(IMC)的生长情况。结果表明,经过不同温度时效,复合钎料钎焊接头界面处金属间化合物的生长速率比Sn-3.5Ag共晶钎料慢,复合钎料的IMC生长的激活能分别为80、97和77 kJ/mol,均高于Sn-3.5Ag共晶钎料。经过150℃时效1000 h后,复合钎料钎焊接头的剪切强度分别下降了22%、13%和18%,下降幅度相当或明显小于Sn-3.5Ag钎料钎焊接头。

基于紫铜/黄铜钎焊的新型无银铜磷锡复合钎料

BCu89PAg是钎焊紫铜/黄铜、紫铜/紫铜常用铜磷钎料,其银含量为4.8%~5.2%,成本相对较高.为克服不足,文中设计开发了一种新型药皮铜磷锡复合钎料,此种钎料无须再单独添加钎剂即能实现紫铜/黄铜间的焊接,减少焊接工序,节约生产成本.失重腐蚀和电化学腐蚀结果均表明,BCu91PSn与BCu89PAg耐腐蚀性能相近;采用金相显微镜和扫描电子显微镜对钎缝组织进行观察,发现新型BCu91PSn焊条焊后钎缝组织致密,焊料和基体中的元素相互扩散,形成了良好的过渡层.

采用银基活性钎料钎焊碳/碳复合材料

采用银基活性钎料 (Ag- Cu- Ti)对二维层间增强型和三维正交增强型 C/C复合材料进行了真空钎焊工艺试验 ,采用扫描电镜 (SEM)观察了钎焊接头和连接界面的微观组织形貌 ,测定了各元素的面分布 ,对钎焊接头进行了室温压缩剪切性能试验和三点弯曲强度试验。结果表明 :钎料中的元素 Ti向钎料和 C/C界面区扩散并富集 ,生成了含元素 C的 Ti2 Cu化合物相 ,形成了钎料对 C/C基体的良好润湿 ,可获得组织致密的接头 ,接头室温三点弯曲强度为 :38MPa,抗剪强度为 2 2

纳米Ni颗粒增强无铅Sn-Cu-Ag复合钎料搅拌辅助低温钎焊技术

采用搅拌辅助低温(半固态区间)钎焊技术,制备低银无铅钎料和纳米复合钎料钎焊接头。结果表明:240℃时复合钎料的润湿时间较基体的润湿时间缩短了31%,润湿力较基体的提高了3.8%;机械搅拌在破碎树枝晶和加速元素扩散的同时,降低了液相的温度梯度和成分过冷,大大削弱了钎料基体中金属间化合物(IMC)Cu6Sn5的枝晶生长,促使针状Cu6Sn5破碎呈短棒状;在低银无铅钎料中加入纳米Ni颗粒,Ni与Cu6Sn5生成孔洞状化合物(Cux Ni1-x)6Sn5及低温搅拌形成的气孔成为界面原子的扩散通道。搅拌形成的紊流和热流传递加快了原子的溶解与扩散,加速了界面IMC的生长。

温度对Ag颗粒增强SnCu基复合钎料蠕变性能的影响

采用1 mm2微型单搭接钎焊接头,研究了恒定应力下温度对Ag颗粒增强SnCu基复合钎料钎焊接头蠕变寿命的影响,研究结果表明:增强颗粒Ag与基体会发生冶金反应,在Ag颗粒周围形成了一薄层Ag-Sn金属间化合物,使增强颗粒Ag与基体紧密结合,从而使复合钎料钎焊接头蠕变寿命优于基体SnCu钎料;温度对复合钎料钎焊接头蠕变寿命影响较SnCu钎料明显。

Fe粉对Sn-3Ag-0.5Cu复合钎料组织及性能的影响

通过在钎料中添加Fe粉颗粒,研究其对Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料的黏度、熔点、钎焊接头界面微观组织、与Cu基板之间的润湿性及焊点力学性能的影响。结果表明:微米级Fe粉的添加增加了复合钎料焊膏单位体积内焊粉的接触面积,使得焊膏内摩擦力增大,导致复合钎料焊膏的黏度增加;微米级Fe粉的添加对Sn-3Ag-0.5Cu钎料的熔化特性没有显著影响;钎焊时,由于重力偏聚及界面吸附作用,Fe粉颗粒集中沉积于Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu钎焊接头界面处靠近钎料一侧,由于增大液态钎料黏度而导致钎料与Cu板间的润湿性降低;与Sn-3Ag-0.5Cu/Cu相比,Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu界面处钎料一侧粗大的β-Sn枝晶区消失,取而代之的是细小的等轴晶。Sn-3Ag-0.5Cu-1%Fe/Cu的剪切强度为46 MPa,比Sn-3Ag-0.5Cu/Cu剪切强度提高39%;靠近界面金属间化合物处钎料基体的显微硬度提高约25%。

几种高温钎料对C/C复合材料的润湿性研究

采用座滴法测试了10种钎料对C/C母材的润湿性。实验结果表明:随着活性元素Ti,Cr,V含量的提高,钎料润湿性逐渐改善。在Co-Ti和Ni-Ti钎料体系中,Ti元素的存在形式对钎料润湿性影响很大,Ti以固溶体形式存在,易于向C/C母材偏聚发生反应,从而提高润湿性,且润湿界面附近的Ti和C主要以TiC形式存在。采用PdNi-Cr-V-Si-B钎料的润湿界面中,活性元素Cr和V存在于扩散反应层中,推断Cr主要以Cr23C6形式存在,而V以V2C形式存在。当Cr和V同时加入钎料中,Cr向界面反应层扩散的倾向更明显。

SiC_p/LY12复合材料的真空钎焊

在钎焊温度高于SiCp/LY12复合材料起始熔融温度的条件下,采用Al 28Cu 5Si 2Mg钎料在真空中仍能实现对SiCp/LY12复合材料的钎焊连接。研究结果表明:SiCp/LY12复合材料的熔化特性、快速的钎焊热循环和钎料中含合金元素Mg是实现对SiCp/LY12复合材料的钎焊连接的主要因素。分析了SiCp/LY12复合材料钎焊连接强度的影响因素和界面特征。提高液态钎料对SiC的润湿性、降低连接区的弱连接比例、减少过渡到钎缝中的SiC颗粒,是改善钎焊连接强度的重要途径。

颗粒增强复合钎料钎焊TiAl合金接头界面结构及性能

采用纳米Si3N4颗粒增强的AgCuTi复合钎料(AgCuTiC)实现了TiAl合金的钎焊连接.利用SEM,EDS及XRD等分析方法确定了TiAl/AgCuTiC/TiAl接头的典型界面结构为TiAl/AlCu2Ti/Ag(s,s)+TiN+Al4Cu9+Ti5Si3.结果表明,钎焊过程中从TiAl母材溶入液相钎料的活性钛与复合钎料中纳米Si3N4颗粒发生反应,在钎缝中形成了细小的颗粒状TiN,Ti5Si3及Al4Cu9化合物增强的银基复合材料组织.银基复合材料的形成不仅提高了钎缝自身的强度,而且通过降低钎缝的线膨胀系数缓解了接头残余应力,并最终改善了钎焊接头的性能.当采用增强相含量为3%的AgCuTiC钎料在880℃保温5 min条件下钎焊时,接头室温平均抗剪强度最高为278 MPa,比采用AgCuTi钎料提高40%.

纳米Ag颗粒增强复合钎料蠕变性能的研究

制备纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料。研究不同温度载荷下复合钎料钎焊接头的蠕变断裂寿命,并与Sn-0.7Cu基体钎料钎焊接头进行对比。此外,确定纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料钎焊接头在不同温度和应力水平下的应力指数和蠕变激活能,建立复合钎料钎焊接头的稳态蠕变本构方程。结果表明,在不同的温度和应力下,与Sn-0.7Cu钎料钎焊接头相比,纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料钎焊接头的蠕变断裂寿命均有所提高,且具有更高的蠕变激活能,说明复合钎料钎焊接头具有更优的抗蠕变性能。

Ag颗粒含量对SnCu基复合钎料性能的影响

利用颗粒增强原理研制了新型Ag颗粒增强SnCu基复合钎料,研究了Ag颗粒不同含量对复合钎料性能影响．结果表明:当Ag含量(体积分数)为5%时,复合钎料铺展面积最大,润湿角最小,钎焊接头蠕变寿命最长,比基体钎料提高23倍．

Cu颗粒增强的Sn-9Zn复合钎料/Cu钎焊接头界面反应

研究了长时间再流焊条件下,在粉状Sn-9Zn无铅钎料中加入Cu颗粒增强质点(复合钎料)对Sn-9Zn/Cu钎焊接头界面反应的影响。结果表明,在Sn-9Zn无铅钎料中加入Cu颗粒,可有效降低Sn-9Zn/Cu钎焊接头界面金属间化合物(IMC)的生长速度,从而减小界面IMC层的厚度,减少IMC层内的柯肯达尔(Kirkendall)缺陷;IMC层的厚度随再流焊时间的增加而增加,随Cu颗粒加入量的增加而减小。在现试验条件下,IMC层由Cu-Zn金属间化合物组成,未检测到Cu-Sn金属间化合物的存在。

升温速率对复合钎料显微组织和力学性能的影响

不同的钎焊工艺条件会对复合钎料中增强相颗粒(如Ni,Ag,Cu等金属颗粒)周围金属间化合物的形貌和尺寸产生影响,而增强相颗粒周围金属间化合物的尺寸又会对复合钎料的力学性能产生影响。在共晶Sn-3.5Ag钎料中外加微米级铜颗粒制成复合钎料,研究了不同的升温速率对复合钎料内部颗粒显微组织和力学性能的影响。结果表明,复合钎料中铜增强颗粒周围存在着厚度不均的金属间化合物层,不同的升温速率对这层金属间化合物的形貌基本没有影响,只会对其厚度尺寸有影响。此外,建立了不同升温速率与铜颗粒增强的Sn-Ag基复合钎料增强颗粒周围金属间化合物尺寸和力学性能的关系。

复合钎料的研究进展

以复合钎料进行钎焊,对于异种材料的钎焊,特别是陶瓷和金属的钎焊是一种很有潜力的方法。在传统钎料中加入一定比例的各种形态的高温合金、碳纤维和陶瓷颗粒作为增强相所制成的复合钎料,具有合适的热膨胀系数,可有效降低因母材热膨胀系数不同而导致的钎焊接头处的残余应力,同时可提高钎焊接头的综合性能。按照传统复合材料的分类方式,从增强相尺寸的角度将复合钎料分为微米级增强复合钎料和纳米级增强复合钎料,分析复合钎料的特点及研究现状。通过分析不同尺寸增强相复合钎料对钎焊接头组织和力学性能的影响可知:与微米级增强复合钎料相比,纳米级增强复合钎料具有更加均匀且良好的组织结构,并能获得更高的接头强度。目前,有关纳米级增强复合钎料钎焊的增强机理尚未得到充分的研究,将成为今后研究工作的重点。

SiC_P/Al复合材料的钎焊工艺研究

采用Zn98Al和Zn72.5Al两种Zn-Al药芯钎料对SiCP/Al复合材料进行氩气保护钎焊试验,研究了钎焊温度和保温时间对接头剪切强度及显微组织的影响。结果表明,用这两种钎料在氩气保护炉中钎焊SiCP/Al复合材料,可以获得质量良好的钎焊接头。对Zn98Al钎料,当温度为490℃、保温45min时可获得剪切强度为71.01MPa的钎焊接头;而Zn72.5Al钎料,在温度为560℃、保温11 min时可获得剪切强度为63.71MPa的钎焊接头。两种钎料的钎焊接头显微硬度均略低于母材。两种接头钎缝区的XRD相结构分析发现,钎缝中都只存在α(Al)和β(Zn)两相;接头断口扫描观察显示,接头整体呈韧性断裂特征。