printed-用Cu箔中间层瞬间液相连接SiC_P_Al复合材料的界面现象与连接强度

用Cu 箔中间层瞬间液相连接SiC P /Al 复合材料的界面现象与连接强度陈　铮1,　金朝阳2,　顾晓波1,　邹家生1(1.华东船舶工业学院,镇江　212003;2.扬州大学工学院,扬州　225009)摘　要:　采用Cu 箔作中间层,在温度为853K 的条件下进行了S iC P /Al 复合材料的瞬间液相(T ransient Liquid -Phase bonding ,T LP )连接,用扫描电镜观察了连接界面微观形貌,测定了接头的剪切强度,着重研究了连接时间和压力对界面结构和强度的影响。

研究表明,不加压连接时,由于在界面处形成纯金属带,且氧化膜也难以去除,接头强度较低,约为母材强度的48%,接头剪切强度随连接时间延长而增高。

连接时施加0.2MPa 的压力即可显著提高接头强度,达到母材强度的70%,且强度随连接时间变化不大。

试验还发现,用Cu 箔中间层无压瞬间液相连接小增强相颗粒、高体积百分含量的S iC p /AlM MCs 时,接头界面区域没有发现颗粒偏聚,本文对此进行了理论分析。

关键词:　S iC P /Al 复合材料;瞬间液相;Cu ;界面现象;颗粒偏聚;连接强度中图分类号:TG 454 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2001)05-27-04陈　铮0　序 言Al 基复合材料(Al M MCs )是一种具有广泛应用价值的新型结构材料。

目前已有关于Al 基复合材料熔化焊、钎焊和扩散连接等的报道[1,2]。

研究表明,瞬间液相连接是最具应用前景的一种连接方法[3～6]。

Li [3,4]等用Cu 箔作中间层T LP 连接Al 2O 3p /Al M MCs (其中平均颗粒直径为<28μm ,体积分数为10%～20%)。

他们均在接头中心区域观察到增强颗粒的偏聚(图1[3]),该区域通常成为接头中的薄弱环节。

Li [3,4]等认为颗粒偏聚是由于在T LP 连接等温凝固阶段,颗粒被推移至固-液界面前沿所致。

但液相区宽度足够小时,就不会发生颗粒偏聚现象。

颗粒增强Al M MCs 的强度随增强相体积分数的增加和平均颗粒直径的减小而增加,其综合性能也能得到改善。

但目前尚未见到有关T LP 连接高体积分数、小颗粒直径的Al M MCs 的报道。

为此,本文采用加压和无压两种方式进行高体积分数、小颗粒直径的Al M MCs 的T LP 连接,研究压力、时间对接头显微组织、颗粒偏聚和强度的影响。

收稿日期:2001-06-09基金项目:江苏省教育厅青年科技基金资助项目(98606)图1　铜箔作中间层T LP 连接Al 2O 3p /Al MMCs时的颗粒偏聚现象(853K,6min)Fig.1　P articulate segregation in joint interface duringT LP bonding of Al 2O 3p /Al MMCs with Cu foil1　试验材料和方法试验采用的SiC p /Al M MCs ,基体为纯铝,SiC 颗粒直径为<3.5μm ,体积分数为30%。

试样尺寸为<8mm ×5mm ,中间层Cu 箔厚度为10μm 。

T LP 连接试验在高频真空感应加热炉中进行。

连接采用两种压力方式,一种称为无压T LP 连接,即在装配好的试样上放置40g 的小压块;另一种则为加压T LP 连接,即连接过程中在试样上施加　0.2　M Pa 的压力。

第22卷　第5期2001年10月焊接学报TRANS ACTI ONS OF THE CHI NA WE LDI NG I NSTIT UTI ONVol.22 No.5October 2001连接中,真空度不低于2×10-3Pa ,连接温度为853K,保温时间分别为1.8ks 、3.6ks 、7.2ks 和14.4ks 。

连接后,测定接头剪切强度。

用金相显微镜、扫描电镜观察连接界面区域微观形貌,用能谱仪(E DX )分析界面区域的成分。

2　试验结果2.1　连接接头强度连接时间和压力对接头强度的影响如图2所示。

在无压条件下,剪切强度随保温时间延长呈增加趋势。

在本文试验范围内,保温14.4ks 后获得接头剪切强度值最高,达106.7MPa ,约为母材剪切强度的47.6%。

当压力为0.2MPa 时,接头强度达到160MPa 左右,约为母材强度的70%,且连接时间对强度的影响也较小,强度分散情况得到改善。

可见加压可使T LP 连接接头强度显著提高。

图2　铜作中间层时保温时间和压力对接头剪切强度的影响(T B =853K )Fig.2　E ffects of holding time and pressure on jointstrength bonded with Cu interlayer2.2　连接界面微观形貌和元素分析图3为连接界面区域的微观形貌。

在853K 保温1.8ks 时(图3a ),在接头界面处存在一条宽窄不一的白色金属带,随保温时间的延长逐步变薄。

对接头中心白色金属区域进行定量点分析,发现金属成分几乎都是Al ,铜的质量分数只有1.5%左右,该成分位于Al -Cu 二元相图的铝端单相区,表明保温时间为1.8ks 时,中间层Cu 已几乎全部扩散进入Al M MCs 。

保温7.2ks 时(图3b ),界面处白色金属带逐步减少,因而强度也随之提高。

此外在界面接合局部区域发现有黑色氧化物夹杂,示于图3c 。

图3d 为保温7.2ks 、压力为0.2MPa 时的微观形貌,连接界面区域与母材组织几乎没有区别,且没有发现黑色夹杂物。

因而加压显著提高了连接强度。

在界面微观分析中,值得注意的一个重要特征图3　保温时间和压力对连接界面微观形貌的影响Fig.3　E ffects o f holding tim e and pressure on microstructure o f joint interface.(a)1.8ks ,(b)7.2ks ,(c)14.4ks ,and (d)7.2ks w ith 0.2MP a pressure是本文T LP 连接接头界面区域没有发现颗粒偏聚,这完全不同于以前研究者采用铜箔作中间层进行T LP 连接时的结果。

同时,由于本文连接接头中不存在颗粒偏聚,断裂不是发生在文献[3～5]所述的接头颗粒聚集区,且接头强度也比文献[3]报道的高。

3　讨 论连接时,纯铝基体和铜箔之间相互扩散,在界面处形成液相,铜箔和靠近界面的母材不断被溶解,液相区增大,最终Cu 箔被全部熔化,SiC 颗粒也必将进入液相[7]。

不加压时,等温凝固过程中,视固-液界面前沿和液相中SiC 颗粒之间发生相互作用的情况,要么将颗粒包围进入固-液界面形成颗粒分布均匀的组织,要么将颗粒推至固-液界面前沿形成颗粒偏聚组织。

参考Shangguan [8]等对不可熔颗粒可否被推移至移动固-液界面前沿问题的研究结果,同时考虑T LP 连接的实际情况(即处于等温状态,不存在温度场引起的固-液界面形状变化的情况)T LP 连接时的临界速率可进行如下推导。

在等温凝固阶段,当颗粒和固-液界面前沿距离足够近时,颗粒受力情况如图4所示。

固-液界面可看作平界面,此时作用在粒子上的力有三个,当三个力达到平衡时即为颗粒是否会被推移至移动固-液界面前沿的临界条件。

颗粒所受的力包括(1)与重力有关的力F GF G =34πR 3Δρg ,(1)式中:R 为颗粒半径;g 为重力加速度;Δρ为液态金属和颗粒的密度差,其符号决定力的方向,Δρ>028　焊　接　学　报第22卷时,F G 将颗粒推至固-液界面前沿。

图4　增强相颗粒在固-液界面前沿的受力情况示意图Fig.4　Schem atic graph showing a p article in front of the solid/liquid interface and the forces acting on the p article(2)拖拽力F D ,其大小由Stokes 漂移定则确定F D =6πηv R2d,(2)式中:η为液态金属粘度;d 为颗粒与固-液界面的距离;v 为颗粒相对于液态金属的漂移速度,当固-液界面移动速率大于颗粒漂移平衡速率v 时,颗粒将向固-液界面靠拢,颗粒与界面之间发生相互作用,最终被固-液界面“吞噬”;当固-液界面移动速率小于v 时,颗粒将漂离固-液界面。

(3)界面能产生的排斥力F IF I =2πR Δσ0a 0a 0+dn,(3)式中:a 0为颗粒和固相表面层原子的半径和;Δσ0为固相、液相与颗粒及液相和固相之间的界面能差(σsp -σlp -σsl );n 取值从2到7。

当颗粒上所受的力处于平衡状态时,颗粒处于是被推移至固-液界面前沿,还是被固-液界面包围的临界状态。

即颗粒上所受的力满足F G +F I -F D =0。

(4)由于SiC p /Al M MCs 中增强相颗粒尺寸通常较小,F G 可忽略,可得平衡速率v e 的值为v e =Δσ0d3ηRa 0a 0+d n。

(5)对v e 求导,取其导数值为零,求得d 的临界值为d c =a 0n -1。

(6)则固-液界面临界移动速率为v c =Δσ0d 3ηR a 0n -1n -1nn。

(7)由上式可知,在T LP 连接的等温凝固阶段,v c与颗粒直径、界面能差和固-液界面前沿液相粘度有关。

根据文献[8]的结果,当固-液界面移动速率低于该临界值时,颗粒将被推离固-液界面形成偏聚。

T LP 连接等温凝固时,半径小于临界半径的颗粒将被推移至移动固-液界面前沿,连接区域发生颗粒偏聚。

增大界面移动速率可减小颗粒偏析程度。

研究表明,在用10μm 的Cu 箔T LP 连接时,增强颗粒较大时均会发生颗粒偏聚。

但本文试验结果表明,颗粒尺寸对是否发生偏聚具有重要影响。

对此分析如下。

以上模型只考虑了单个颗粒所受的力,而没有考虑颗粒之间的相互作用力。

本试验条件下,所用试验材料颗粒直径小,仅3.5μm ,颗粒直径越小,颗粒之间的相互作用力越不能忽略。

且小颗粒在液态金属中容易聚集成团以降低其表面能,在接头金相组织中也已观察到此现象。

这样聚集成团的颗粒处于固-液界面前沿时就相当于单个颗粒直径增加,根据式(7)可知,此时接头区域发生颗粒偏聚的固-液界面推移临界速率减小,这将有助于减轻颗粒偏聚。

另一方面,根据Einstein 方程[8],液相区粘度与颗粒体积百分数存在如下关系η3=η1+52f p ,(8)式中:η3为液态金属实际有效粘度;f p 为固-液界面前沿附近局部区域内颗粒的体积百分含量。

液相区所含颗粒f p 增多时,液态金属粘度增大,界面临界推移速率减小。