Al—Si—Mg钎料钎焊Si3N4/2024Al复合材料

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【摘 要】高体积含量陶瓷增强铝基复合材料因其重量轻、比强度高、比刚度高、热膨胀系数可调等优点在轻质电子封装及热控元件等领域拥有广泛的应用前景。但是，受连接技术的制约，高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的应用受到限制。本文用的母材增强相体积数达到45%，采用al-si-mg钎料钎焊表面溅射沉积有Ti活性层的si3n4/2024al铝基复合材料，对Si3N4/2024Al铝基复合材料的连接及其机理进行了研究。

【关键词】Si3N4/2024Al铝基复合材料；钎焊；微观组织；界面反应；力学性能

复合材料是用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。金属基复合材料因为其构成特殊所以具有各种特殊的性能和优异的综合性能和发展前景[1]，如用于航空发动机等。20世纪90年代末，此类材料在航空航天方面得到了广泛的应用。比如激光陀螺仪、反射镜镜子底座和与光学仪器有关的零部件等[2-4]。

目前，用于铝基复合材料的焊接有多种方法，如扩散焊、电阻焊、摩擦焊等[5]。用于高体积含量陶瓷增强铝基复合材料的焊接方法还处在探索阶段，对于Si3N4/2024Al铝基复合材料连接的研究几乎空白。因此，解决Si3N4/2024Al在焊接中存在的问题迫在眉睫。本文对Si3N4/2024Al基复合材料的钎焊工艺及机理进行研究，为此类材料在实际生产中的大规模推广和应用奠定了良好的理论基础。

在复合材料表面通过磁控溅射的方法制备一层Ti活性薄膜，不仅可以防止复合材料的铝合金基体氧化，还可以在焊接过程中发挥活性，促进钎料对复合材料的润湿，实现高强度的连接。本章采用了Al-Si-Mg钎料对溅射沉积了Ti活性层的复合材料进行润湿和焊接试验，探索溅射沉积Ti活性层钎焊Si3N4/2024Al铝基复合材料的连接机理及工艺。

一、Al-Si-Mg钎料在溅射沉积Ti活性层复合材料表面的润湿性

将处理好的Al-Si-Mg钎料和复合材料母材放入真空润湿角测量仪中以570℃保温10min的工艺参数进行润湿性试验。Al-Si-Mg钎料在溅射沉积Ti活性层的复合材料表面的润湿性要好于未溅射沉积Ti活性层的复合材料，润湿性提高了。Al-Si-Mg钎料在溅射沉积Ti活性层的复合材料表面的润湿性非常良好，Ti活性层作用明显，完全满足焊接的要求。

二、Al-Si-Mg钎焊Si3N4/2024Al铝基复合材料接头微观组织形貌

通过润湿试验可以看出，Al-Si-Mg钎料在溅射沉积Ti活性层的复合材料表面润湿性非常好。所以，在焊接温度570℃下保温15min采用Al-Si-Mg钎料分别对溅射沉积Ti活性层和未溅射沉积Ti活性层的复合材料进行真空钎焊试验。

图1为Al-Si-Mg钎料焊接未溅射沉积Ti活性层的复合材料的钎焊接头扫描电镜照片以及在同样工艺参数下溅射沉积Ti活性层的复合材料钎焊接头。

a） 溅射沉积Ti活性层前b） 溅射沉积Ti活性层后c）界面组织结构

图1 Al-Si-Mg钎料焊接复合材料接头扫描电镜照片

由图可见，当复合材料表面未溅射Ti活性层时，钎料与母材之间有明显的空隙，大部分区域钎料与母材没有连接，也未发生扩散和反应，钎焊接头结合非常不理想。在同样工艺参数下溅射沉积Ti活性层后，界面结合良好，整个钎焊接头分为三个区，其中I区为钎料层，II区为母材，III区为钎料层与母材之间的反应层，从照片中可以看出，钎料与母材连接紧密，有明显的反应层，钎焊接头中没有明显缺陷。

图1-c为图1-b中方框区域的放大照片，可以看出，反应层从包括了母材部分区域和Ti活性层并有部分伸入钎料去，反应层中贯穿有针状相并伸入母材，部分钎料沿Si3N4颗粒扩散到母材当中与铝合金基体发生反应。表1为各图中各点的元素组成及可能相分析。

表1 溅射沉积Ti活性层的复合材料钎焊接头放大照片中各点的元素组成 （wt.%）

Al Si Ti Mg

A 81.90 12.80 -- 5.30

B 70.72 25.23 4.05 --

C 31.12 36.47 31.54 0.86

D 43.14 30.95 17.22 8.69

E 80.52 14.22 -- 5.26

结合能谱分析结果可知，A点所在区域主要含有Al、Si和Mg三种元素，其含量接近原始钎料成分，推测其为为钎料层；B点所在区域为伸展在钎料层中的反应层，主要元素为Al、Si和少量的Ti，它是活性层中的Ti扩散到钎料当中，与钎料中的Al元素和Si元素形成的Ti-Al-Si三元化合物。C点所在区域为贯穿反应层的针状相，其元素组成为Al、Si、Ti和微量的Mg，它是钎料中的Al和Si扩散到活性层中与Ti元素反应生成的化合物。D点所在区域为反应层中靠近母材部分的反应层，E点所在区域含有Al和Si两种元素，它是钎料中的Al元素和Si元素沿Si3N4颗粒的晶界扩散到母材当中，与母材中的Al基体形成的共晶组织。

采用Al-Si-Mg钎料钎焊溅射沉积Ti活性层的复合材料时，同时发生两个过程，首先是固相向液相中的溶解，同时伴随着固相与液相之间的原子扩散。在钎料熔化后，活性层向液相钎料中不断溶解，并与钎料中的Al和Si发生反应生成化合物，另一部分Al和Si与活性层中的Ti元素生成针状的Ti-Al-Si三元化合物，由于Ti元素在界面浓度最高，离界面越远其浓度逐渐降低，化合物的生长指向钎料中Ti元素的扩散方向；此外，钎料组元同时向复合材料一侧发生扩散，当活性层完全消耗时，钎料组元扩散至复合材料基体中，与母材中的Al基体形成共晶组织。

三、Al-Si-Mg钎焊Si3N4/2024Al铝基复合材料接头力学性能

对采用Al-Si-Mg钎料焊接的未溅射沉积Ti活性层和溅射沉积Ti活性层的复合材料钎焊接头进行剪切强度测试，试验结果未溅射沉积Ti活性层的钎焊接头剪切强度为10.52MPa，溅射沉积Ti活性层后的钎焊接头的剪切强度为83.96MPa，是没有镀层的钎焊接头的8倍。

四、结论

溅射沉积Ti活性层的方法改善了钎料在复合材料表面的润湿性和复合材料的焊接接头性能。采用Al-Si-Mg钎料真空钎焊溅射沉积Ti活性层复合材料时，钎料与Ti活性层反应生成的针状化合物贯穿界面层并深入复合材料内部，增进了反应层与复合材料母材之间的连接。接头强度提高了8倍。

参考文献：

[1]王玺. SiCp/Al复合材料的尺寸稳定性能研究[D]， 哈尔滨工业大学硕士学位论文， 2010： 30-50.

[2]程志峰， 张葆， 崔岩， 等. 高体份SiC/Al复合材料在无人机载光电稳定平台中的应用[J]. 光学精密工程， 2009， 17（11）： 2820-2827.

[3]熊德赣， 程辉， 刘希从， 等. Al/SiC电子封装材料及构件研究进展[J]. 材料导报， 2006， 20（3）： 111-115.

[4]钟鼓， 吴树森， 万里高. SiCp或高Si含量电子封装材料研究进展[J]. 材料导报， 2008， 22（2）： 13-17.

[5]张启运， 庄鸿寿. 焊接手册（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社， 2008， 1-17.