銅薄膜作中間層的鎂鋁擴(kuò)散焊接

羅國(guó)強(qiáng)，尹 凱，王儀宇

(武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070)

0 引 言

鎂合金作為一種新型的工程結(jié)構(gòu)材料越來(lái)越引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，因其具有比強(qiáng)度高、剛度大、抗沖擊性能好、抗震性好、熱容量低、冷凝速度快、良好的機(jī)械加工性能等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天、民用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域.鋁是地殼中含量最高的金屬元素，鋁合金是目前使用最廣的金屬結(jié)構(gòu)材料之一.鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，同時(shí)其塑性好，能夠加工成各種型材，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性等特點(diǎn)[1-2].如果實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金異種金屬的焊接并形成可靠的焊接結(jié)構(gòu)件，不僅能充分發(fā)揮鎂合金、鋁合金各自的優(yōu)異性能，還能夠大大拓展其在高科技領(lǐng)域，特別是在航空航天方面的應(yīng)用，所以實(shí)現(xiàn)鎂鋁異種金屬的焊接具有非常深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義[3-4].

然而鎂鋁異種金屬因其物理化學(xué)性質(zhì)的差異利用一般的焊接方法要實(shí)現(xiàn)其可靠連接十分困難，兩種金屬直接焊接主要存在的問(wèn)題是：a. 鎂、鋁的活性很高，容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)在表面形成一層氧化物膜，氧化物膜的存在不利于母材原子的相互擴(kuò)散，導(dǎo)致焊接工藝難以控制；b. 鎂與鋁易相互反應(yīng)，焊接接頭界面區(qū)域生成大量高硬度脆性金屬間化合物并出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度不高[5-6].

目前，對(duì)利用中間層對(duì)鎂鋁進(jìn)行擴(kuò)散焊接的研究已有報(bào)道[7-8]，但尚不深入.磁控濺射鍍膜是添加焊接中間層的一種切實(shí)可行的方法，薄膜的沉積一方面能減小焊接母材的表面粗糙度促進(jìn)母材焊接面的充分接觸，另一方面能夠針對(duì)不同焊接體系實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合中間層的添加，同時(shí)因其自身特點(diǎn)而具有非常獨(dú)特的應(yīng)用前景.本文中利用磁控濺射鍍膜技術(shù)在焊接母材鎂合金表面沉積一層致密度高、結(jié)晶性好，厚度均勻Cu薄膜，將Cu作為中間層實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎂/鋁的真空低溫?cái)U(kuò)散焊接，并對(duì)焊接接頭界面區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)及組織、元素分布、斷口相組成等進(jìn)行了研究.

1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方法

試驗(yàn)材料采用變形鎂合金(牌號(hào)MB2)和硬鋁合金(牌號(hào)LY12)，試樣尺寸為直徑29 mm、厚2 mm的圓薄片.焊接母材采用PFG500DXAL超精密平面磨床(日本岡本工作機(jī)械制作社)將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，用1000#、1200#SiC砂紙和05、06、07號(hào)金相砂紙打磨圓薄片的待焊接面，并用MA-200高精密拋光機(jī)(日本 New Metals and Chemicals Corporation, Ltd)拋光，然后用丙酮、酒精依次超聲清洗.

采用高純Cu靶(99.99%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))，利用沈陽(yáng)世昂真空技術(shù)有限公司的SACJSS-500型超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)在MB2鎂合金基體表面沉積Cu薄膜.濺射工藝襯底溫度為80～200 ℃，升溫速率為5～15 ℃，濺射功率為80～150 W，氬氣氣壓為0.5～1.5 Pa，Cu薄膜厚度約為2 μm.

將表面覆有Cu薄膜的MB2鎂合金基片與LY12鋁合金基片以對(duì)接形式用磨具裝配置于ZRY-50型真空擴(kuò)散爐控制焊接工藝參數(shù)進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接.擴(kuò)散焊接工藝制度：焊接溫度為430～460 ℃，保溫時(shí)間為90 min，焊接壓力為3 MPa，真空度在1×10-3Pa以上.典型的MB2/LY12擴(kuò)散焊工藝曲線見(jiàn)圖1所示.

圖1 典型的MB2/LY12擴(kuò)散焊工藝曲線Fig.1 Typical technology parameters for diffusion welding of MB2/LY12

采用KSI WINSAM-5.2超聲波掃描顯微鏡對(duì)焊接試樣連接情況進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)；采用日本Rigaku公司的D/MAX-Ⅲ型X射線衍射(X-Ray Diffraction, XRD)儀對(duì)焊接件斷口的進(jìn)行物相分析；采用電子探針(Electron Probe Micro Analyzer，EPMA，JXA-8100)表征焊接接頭界面元素濃度分布；利用日本Hitachi公司的S-3400型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)對(duì)薄膜的表面及焊接件斷口形貌進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu薄膜的表征

圖2 為MB2基片上沉積的Cu薄膜XRD圖譜.由圖2可以明顯看出，在拋光的MB2基體上沉積的Cu薄膜主要沿(111)、(200)晶向上生長(zhǎng).

利用SEM對(duì)沉積的Cu薄膜進(jìn)行表面形貌分析(如圖3所示)，薄膜表面出現(xiàn)拋光后的細(xì)小劃痕，有少量Cu原子團(tuán)聚的現(xiàn)象，但薄膜表面整體較為平整，致密度較高.

圖2 MB2基片上沉積Cu薄膜XRD圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of Cu film deposited on MB2 substrate

圖3 MB2基體上沉積的Cu薄膜SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photo of Cu film deposited on MB2 substrate

2.2 MB2/LY12焊接接頭無(wú)損檢測(cè)

利用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同焊接溫度下制備的MB2/LY12焊接接頭進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)圖4和表1.當(dāng)焊接溫度較低時(shí)(430 ℃、440 ℃)，由于溫度較低，母材原子的擴(kuò)散能力較弱，母材接觸不充分，焊接過(guò)程幾乎沒(méi)有發(fā)生，在C-掃描照片中表現(xiàn)為圖4(a)整體白色較亮的區(qū)域.隨著焊接溫度的升高(445 ℃、450 ℃)，焊接母材塑性變形能力增強(qiáng)，界面形成良好的微觀接觸，有效接觸面積增大，原子之間發(fā)生一定的相互擴(kuò)散，生成部分金屬間化合物，圖4(b)、圖4(c)中表現(xiàn)為明暗相間的區(qū)域.焊接溫度較高(455 ℃)時(shí)，原子互擴(kuò)散速率急劇增加，生成金屬間化合物，發(fā)生再結(jié)晶等過(guò)程，圖4(d)中灰度已較為均勻.焊接溫度太高(>460 ℃)時(shí)，原子擴(kuò)散劇烈，生成多種低共融物，導(dǎo)致溶出現(xiàn)象發(fā)生.以上分析表明，保溫時(shí)間及壓力保持不變的條件下，最佳焊接溫度應(yīng)為455 ℃.

圖4 不同焊接溫度的MB2/LY12焊接接頭超聲波Fig.4 SAM photos of MB2/LY12 welding joints at different welding temperature

表1 不同焊接溫度制備的焊接接頭情況Table 1 Experimental design matrix and results

2.3 焊接接頭界面顯微結(jié)構(gòu)表征

圖5為455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭界面區(qū)域的EPMA分析.從圖5(a)可以看出，焊接接頭界面結(jié)合良好，生成多種層狀化合物，大致分為三層I、II、III.從圖5(b)接頭界面區(qū)元素線能譜可知，Mg、Al在接頭界面區(qū)與基體相比顯著下降，兩者含量保持相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)合能譜和斷口物相可知該三層從左往右分別為Al3Mg2(I)、AlMg (II)、Al12Mg17(III)，其中AlMg(II)層厚度最大，其他兩層厚度相當(dāng).三層厚度總和約為70 m，較直接焊接的界面總厚度(85 m)要小.圖5(a)中Cu元素含量從LY12側(cè)到MB2側(cè)逐漸降低，在Al3Mg2層富集含量較高，而在其他兩場(chǎng)含量較少.原始界面靠近LY12側(cè)，說(shuō)明鋁原子更多的擴(kuò)散到中間層.MB2側(cè)黑色界面區(qū)為氧化反應(yīng)發(fā)生的區(qū)域，氧化層的存在不利原子的擴(kuò)散遷移.

圖5 455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭EPMA分析(455 ℃-90 min-3 MPa)Fig.5 EPMA analysis of MB2/LY12 welding joints welded at the temperature of 455 ℃(455 ℃-90 min-3 MPa)

2.4 焊接接頭物相及斷口形貌分析

圖6為455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭斷口的XRD圖譜.從圖6可以看到，MB2側(cè)和LY12側(cè)生成了Al3Mg2、AlMg、Al12Mg173種金屬間化合物以及少量CuMg2、Al2CuMg.兩側(cè)均生成了這幾種金屬間化合物說(shuō)明斷裂發(fā)生在脆性金屬間化合物層，同時(shí)由于鎂鋁焊接接頭界面是分層的，說(shuō)明斷裂并不是僅僅發(fā)生在某一層，而是同時(shí)發(fā)生在幾個(gè)金屬間化合物層.

圖7為455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭斷口的SEM圖像.從圖7中可以觀察到，宏觀斷口的形貌呈現(xiàn)暗黃色，斷口周?chē)鷽](méi)有明顯塑性變形，表面粗糙呈顆粒狀，仍表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂.從MB2側(cè)斷口SEM照片來(lái)看，斷口較為平坦，有沿層片斷裂特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷裂主要為沿層斷裂和部分穿層斷裂，以及少量的解理斷裂.從LY12側(cè)斷口SEM照片來(lái)看，斷口存在大量解理斷裂和部分穿層斷裂，斷口有明顯的孔洞，這是由于鋁原子向鎂側(cè)擴(kuò)散速率較鎂原子向鋁側(cè)擴(kuò)散迅速而引起的科肯達(dá)爾效應(yīng)，孔洞的存在不利于獲得高強(qiáng)度的焊接接頭，是裂紋易發(fā)生的區(qū)域.

圖7 455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭斷口組織形貌圖Fig.7 Fracture appearances of MB2/LY12 welding joints welded at the temperature of 455 ℃

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用磁控濺射鍍膜技術(shù)在MB2鎂合金表面沉積Cu薄膜，在較低焊接溫度下實(shí)現(xiàn)了MB2鎂合金和LY12鋁合金的連接，并對(duì)接頭進(jìn)行了組織物相分析，得到如下結(jié)論：

a. 利用磁控濺射鍍膜技術(shù)能夠在MB2鎂合金基體上沉積的Cu薄膜主要以(111)、(200)晶向上生長(zhǎng)，薄膜表面平整、均勻、致密.

b. 在焊接工藝為：焊接溫度455 ℃、保溫時(shí)間90 min、壓力3 MPa，能夠?qū)崿F(xiàn)MB2/LY12的可靠連接.

c. MB2/LY12焊接接頭界面區(qū)域出現(xiàn)分成結(jié)構(gòu)，分別為Al3Mg2、AlMg、Al12Mg17三層.接頭斷口表現(xiàn)為明顯脆性斷裂特征，斷裂呈階梯狀發(fā)生在三層金屬間化合物層之間.

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