Mg、Cu及Mg/Cu异种金属超声辅助钎焊工艺和机理研究

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铜具有多个滑移系,延展性好,导热性和导电性好,被广泛应用于电子封装、建筑工业、机械制造、国防工业等领域。镁也具备多个滑移系,质软易于变形加工,是优良的轻质结构材料,在轻工业、重工业、核工业中被广泛使用。将镁合金与Cu进行连接形成构件,在保留Cu良好导电性和导热性的情况下,这种组合还能减轻构件的重量。为了满足使用需求和降低连接成本,本文根据超声波在固液介质中的作用,引入外加声场,以声-热耦合的超声辅助钎焊(包括超声诱导瞬间液相焊)的方法,分别以Sn和低熔点的Sn-58Bi、Sn-52In为钎料连接纯Cu基体,以高强度的Ag-28Cu为钎料连接MB8镁合金。利用Zn与Mg能产生低熔点共晶相,且Zn在Cu中固溶度高的特点,以Zn为钎料连接AZ31B镁合金/Cu异种金属。在Cu/Sn/Cu系统中,分析超声对钎缝组织的影响;通过室温下时效30天,分析超声与不超声试样,以及不同冷却方式下的Sn须生长情况。超声5 s时,钎缝被Cu-Sn化合物充满。经过超声处理的试样,Sn须生长更多,速度更快,长度更长。超声能定性反映作用于钎缝上的应力大小。水冷方式下生长的Sn须最多,其次是空冷,最后是随炉冷。化学反应导致的化学应力、化合物体积膨胀导致的收缩应力、温度导致的热应力以及声空化气泡崩塌导致的热应力和压缩应力是Sn须生长的驱动力。由于化合物体积膨胀,导致氧化膜局部破裂,形成压力梯度,成为Sn须生长源。Sn的元素扩散为Sn须持续生长提供Sn原子。在Cu/Sn-58Bi/Cu系统中,分析了超声时间对钎缝微观组织形态、成分变化和接头力学性能的影响。钎缝中检测到(Cu)固溶体、(Sn)固溶体、(Bi)固溶体和Cu-Sn化合物存在。超声5 s时,由于Cu/Sn-Bi界面存在较多脆性η(Cu6Sn5)化合物,断裂发生在η(Cu6Sn5)区域,接头强度最高,达到18.91 MPa。当超声时间延长至20 s时,断裂发生在ε(Cu3Sn)和η(Cu6Sn5)之间,接头强度降低。在Cu/Sn-52In/Cu系统中,钎缝中检测到(Sn)固溶体、ε(Cu3Sn)、η(Cu6Sn5)、Cu10Sn3、Cu11In9、Cu9In4、富Sn的γ、富In的β相的存在。随着Cu原子的扩散,β相和γ相被消耗,生成Cu-Sn化合物和Cu-In化合物,且粗晶的块状Cu11In9相长大,部分脱离Cu/Cu-Sn-In界面,迁移至钎缝中心,与β相和γ相混合存在。亚稳态的η相在超声的作用下,有转变为稳态ε(Cu3Sn)相的趋势。超声30 s时接头剪切强度最高,达到22.76 MPa,断裂发生在细晶层状的η(Cu6Sn5)相表面,属于脆性断裂。在MB8 Mg/Ag-28Cu/MB8 Mg系统中,研究了超声时间和温度对钎缝组织的影响,测量了连接接头在室温、较高温度(300℃以下)时的力学性能。随着超声时间的延长,基体与中间层发生三元共晶反应,形成了由α-Mg固溶体、Ag Mg3、Cu Mg2金属间化合物组成的钎缝组织。随超声时间的增加,钎缝逐渐闭合,且闭合钎缝强度最高约101 MPa,断裂发生在基体金属,属于解理断裂。从300℃降到室温,剪切强度随温度降低而升高。在AZ31B/Zn/Cu系统中,研究了压强、温度和超声时间对接头界面形成、钎缝微观组织和力学性能的影响。分析了Mg-Zn固液界面形成、α-Mg固溶体脱落和融合长大行为。随压强增加,基体金属与中间层点接触增多,界面冶金反应加剧。钎缝中存在固溶体、Mg-Zn、Mg-Cu、Cu-Zn、Cu-Mg-Zn化合物。空化气泡崩塌产生的微射流、Mg侧冶金反应生成的Cu Mg Zn化合物的富集,是形成山峰状界面以及α-Mg根部颈缩直到脱离基体金属的原因。共晶组织形态由粒状和层状共晶组织的混合状态,有逐渐转变为层状排列共晶组织的趋势,接头强度增加。不同曲率半径的相邻α-Mg间有融合长大的趋势。化合物厚度随温度的增加而增加。断裂发生在Cu侧生成的Cu Mg Zn与Cu5Zn8化合物之间,属于脆性断裂。当连接温度为430℃,超声15 s时,接头强度最高,达到80.75 MPa。
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