不锈钢-铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2006.02.032 第28卷第2期 北京科技大学学报 Vol.28 No.2 2006年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2006 不锈钢-铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接 李红韩静涛 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要讨论了异种金属连接的中间层介质选择原则，选择了适合连接不锈钢和铝的中间层介 质，并进行了钢板和铝蜂窝芯板的液相扩散连接实验.通过分析结合界面结构和测试界面强度，研 究了中间层介质的作用，同时讨论了工艺参数对结合界面区组织和扩散连接过程的影响。结果表 明，中间层介质具有良好的润湿和铺展性能，能使不锈钢和铝形成牢固的冶金结合， 关键词钢基铝蜂窝夹芯复合板；中间层介质；液相扩散连接；界面；冶金结合 分类号TG335 目前，层状金属复合板材的生产，广泛采用的 界面上产生液相，液相和母材发生熔解和互扩散 是铸造复合、爆炸复合、轧制复合、粘接复合等方 后，冷却凝固形成均匀的结合界面，与固相扩散 法1-3]也有研究者对电磁熔铸复合、摩擦焊接、 连接相比，液相扩散连接过程中液体金属原子的 表面活化连接等新型连接方法制造金属复合板进 运动较为自由，易于在母材表面原子产生的势能 行了理论和实验探索[46]，对于具有蜂窝夹芯结 场中形成稳定的原子排列而凝固，使母材界面的 构的金属复合板的制造，若采用熔铸复合、爆炸复 紧密接触变得相当容易，对连接温度、连接压力及 合、大压下轧制复合等方法则会破坏蜂窝夹芯结 材料的表面粗糙度没有苛刻要求.目前该工艺已 构；采用摩擦焊接和真空表面活化连接则需要精 被应用于陶瓷、金属间化合物、复合材料等多种材 密的设备，投资大，且对材料表面质量要求严格， 料的连接中)] 难以大批量、高效率生产；采用有机溶剂粘接法连 通过加入中间层介质进行钢板和铝蜂窝芯材 接界面属于化学键结合，易老化失效，往往影响后 的液相扩散连接，可以在钢铝结合界面间形成冶 续金属成形及使用 金结合，并且不会破坏蜂窝夹芯的形状和性能. 不锈钢具有很高的强度和耐腐蚀性能，铝蜂 关于这方面的研究还比较少[1o].本文讨论了异 窝芯具有低密度、高比强度的性能.不锈钢与铝 种金属连接中间层介质的选择原则；并根据这一 蜂窝芯复合的蜂窝夹芯板能够有效结合钢和铝的 原则，设计了最适合钢铝进行液相扩散连接的中 优异性能，具有轻质、减振、强度和刚度较好、导电 间层介质成分；对不锈钢-铝合金结合界面进行 导热性能良好等特点，实用价值很高.但钢和铝 了微观组织观察、成分分析和界面结合强度测试， 的物理化学性能如熔点、导热系数和线膨胀系数 讨论了中间层介质在钢铝扩散连接过程中的 相差很大，难以加热均匀，直接连接容易造成较大 作用 的残余应力，增加了裂纹产生的趋势.关于单层 或多层钢铝复合板的大压下轧制复合和液固相热 1实验方法 轧复合工艺已有大量的文献报道[78】.为了保证 实验用材料基板采用304奥氏体不锈钢板， 蜂窝夹芯的形状不被破坏，基板和芯材的组织结 尺寸为100mm×200mm×1mm,蜂窝芯材用100 构和力学性能不发生变化，需要采用新型的复合 mm×200mm×2mm的3003防锈铝板，在铝板 方法，加入中间层介质的液相扩散连接是在母材 上通过钻孔和线切割方法加工六边形蜂赛孔，蜂 间放置薄中间层介质（通常为几微米至几十微 窝壁厚2mm,减轻重量63.88%.中间层介质主 米)，通过一定温度下的冶金反应（如共晶反应）在 要由颗粒度小于70um,纯度99%的雾化粉末组 收稿日期：2004-1221体回日期：2005-03-29 成，采用NETZSCH STA409C高温差热分析仪 基金项目：国家高技术“863”项目(No.2002AA334070) 测定其熔点.复合时中间层介质调成膏状均匀刷 作者简介：李红(1977一)，女，博士研究生：韩静涛(1957一)，男， 涂在经化学和机械处理后的不锈钢和铝蜂窝板的 教授，博士生导师

第 2 8卷 第 2 期 2 0 0 6年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o unr a l o f U n 锐i sr ity o f Sc el n e e a n d Te c h no 例l 罗 B e劝 in g V o l 。 2 8 N o 。 2 F e b 。 2 0 0 6 不锈钢一 铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接 李 红 韩 静 涛 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 讨 论了异种金属连 接的 中间层介质 选择原则 , 选择 了适合连 接不锈钢 和铝 的中 间层介 质 , 并进行 了钢板和铝蜂窝芯板 的液相扩散连接实验 . 通过分析结合界面结构和测试界面强度 , 研 究了中间层介质的作用 , 同时讨论 了工艺参数对结合 界面区 组织和扩散连接过 程的影响 . 结果表 明 , 中间层介质具有 良好的润湿和铺展性能 , 能使不锈钢和铝形成牢固的冶金结合 . 关健词 钢基铝蜂窝夹芯复合板 ; 中间层介质 ; 液相扩散连接 ; 界面 ; 冶金结合 分类号 T G 3 3 5 目前 , 层 状金属 复合板 材的生 产 , 广泛 采用 的 是 铸造 复合 、 爆炸复合 、 轧制复合 、 粘 接复合等方 法 I ’ 一 3〕 . 也有 研 究者对 电磁熔 铸复 合 、 摩擦焊 接 、 表 面活化连接等新型 连接方 法制造金属 复合板进 行了理论和 实验探 索〔4引 . 对 于具 有蜂 窝夹 芯结 构 的金属复 合板的制造 , 若采用熔 铸复合 、 爆炸复 合 、 大压下轧 制复 合等方 法 则会 破 坏蜂窝夹 芯结 构 ; 采用摩擦 焊接和 真空 表 面 活化 连接则 需 要精 密的设备 , 投 资大 , 且对材料表面质量要 求严 格 , 难 以 大批量 、 高效率 生产 ; 采 用有机溶剂粘 接法连 接界 面属 于化学键结合 , 易老化失效 , 往往 影响后 续金 属成形 及使用 . 不锈钢具 有很高的强 度和 耐腐蚀性 能 , 铝 蜂 窝 芯具 有 低密 度 、 高 比强 度的性能 不锈 钢与铝 蜂窝 芯复合的蜂窝 夹芯板能够有效结合钢和铝 的 优 异性 能 , 具 有轻质 、 减振 、 强 度和 刚度较好 、 导 电 导热 性 能 良好 等特 点 , 实用 价值很 高 . 但 钢和铝 的物理 化学性 能如熔 点 、 导热 系数 和线膨 胀 系数 相差很 大 , 难以 加热均 匀 , 直接连接容易造 成较大 的残 余应 力 , 增 加 了 裂纹 产 生 的趋 势 . 关 于 单层 或多层钢 铝复合板的大压下 轧制复合和液 固相热 轧复合工 艺 已有大 量 的文 献报道〔7 一“ 〕 . 为 了保 证 蜂窝夹芯的形 状 不被破坏 , 基板 和 芯材 的组 织结 构和力学性能不发 生 变化 , 需要 采 用新 型 的复合 方法 . 加入 中 间层 介质的液 相 扩散连接是在母材 间放置 薄中间层 介质 (通 常 为几 微 米 至几 十微 米 ) , 通过 一 定温度下 的冶金 反应 (如共晶反 应 )在 收稿B 期 : 2 0 0 4 一 1 2一 1 修回 B 期 : 2 00 5 一 0 3 一2 9 荃金项 目 : 国家高技术 “ 5 6 3 ” 项目( N o . Zo o Z A A3 3 4 o 7 o ) 作者简介 : 李红 ( 19 7 7一 ) , 女 , 博士研究生 ; 韩静涛 ( 1 9 57 一 ) , 男 , 教授 , 博士生导师 界面上 产生 液相 , 液 相 和母 材发 生熔 解和互 扩 散 后 , 冷 却凝 固形 成均 匀 的结合界 面 . 与固相 扩散 连接相 比 , 液相扩散连 接过 程 中液体金属 原 子的 运动较为 自由 , 易于 在母材表面原子产 生 的势 能 场 中形 成稳 定 的原 子排列 而 凝 固 , 使母材界 面 的 紧 密接触变得相当容易 , 对连接温度 、 连接压力及 材料的表面 粗糙度没有苛刻要 求 . 目前该工艺 已 被 应用于 陶瓷 、 金属 间化合物 、 复合材料等多种材 料的连接中9[J . 通过 加入 中间层介质进行钢板和铝蜂窝芯材 的液 相扩散连接 , 可 以在钢铝 结合界 面 间形 成冶 金 结合 , 并 且 不 会 破坏 蜂 窝夹 芯 的 形状 和性 能 关 于这方面 的 研 究还 比 较 少 [ ’ “ 〕 . 本 文 讨 论 了 异 种金属 连接中间层 介质 的选择原 则 ; 并 根据这 一 原则 , 设 计 了最适 合钢 铝进行液 相 扩散连接的 中 间层介质成 分 ; 对 不锈 钢 一 铝 合金 结合界 面进行 了微观组织 观察 、 成分分析 和界面结合强度测试 , 讨论 了 中 间 层 介质 在钢 铝 扩 散连 接过 程 中的 作用 . 1 实验方法 实验用 材料基 板采用 304 奥氏体不 锈钢板 , 尺 寸为 10 0 m m 欠 2 0 0 m m x l m m , 蜂窝芯材用 10 0 m m 又 2 0 0 m m x 2 m m 的 3 0 0 3 防 锈 铝 板 , 在 铝板 上通过 钻孔 和线切割 方 法 加工六 边形蜂 窝孔 , 蜂 窝壁 厚 Z m m , 减轻重 量 63 . 8 % . 中间层 介质主 要 由颗粒度小于 70 拌m , 纯 度 9 % 的雾化粉末组 成 , 采用 N E T z s C H S T A 4 0 9 C 高 温 差 热分析 仪 测 定其熔 点 . 复合时中间层 介质调成膏状 均 匀刷 涂在经化学和机 械处理 后的不锈 钢和铝蜂窝板 的 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 02. 032

Vol.28 No.2 李红等：不锈钢一铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接 ·139· 表面，将两块不锈钢和铝蜂窝板叠放固定后放入 表1铝二元共晶合金 高温箱式电阻炉中进行加热，加热到610~620℃ Table 1 Binary eutectic alloys with aluminium 时保温3~10min不等，取出空冷，在加热和保温 和铝形成共晶的元素共晶温度/℃ 共晶成分 过程通入高纯氮气.沿扩散连接好的钢/铝蜂窝 i 640 A1-6.1Ni 复合板横截面进行线切割制成金相试样，用Cam- Mg 450 A1-35.6Mg bridge Stereo Scan360型扫描电镜(SEM)和能谱 Ag 567 A1-71.9Ag 仪(EPMA)观察和分析界面结合区域微观组织形 Cu 548 A1-32.7Cu 貌和成分.在MTS-810型万能材料试验机上测 Zn 381 AI-94.0Zn 试界面剪切强度 Ge 420 Al-51.6Ge 2中间层介质的选择和配制 Si 577 A1-12.6Si 要使钢铝蜂窝夹芯板基板和芯材连接界面形 极快.A1-Cu共晶合金也因为含有大量的硬质金 成牢固的冶金结合，中间层介质合金元素的选择 属间化合物相Al2Cu而较脆，其电极电位和铝接 必须满足以下条件[11-2】： 近，耐腐蚀性比Al-Ag合金好.Al-Zn共晶合金 (1)液相点熔化温度区间较窄，中间层合金 和富A】的亚共晶A1-Zn合金的液相点熔化温度 应当是共晶合金或成分接近共晶合金.液相扩散 范围太宽（约70℃），且Zn-A1互溶度很大，降低 连接时，狭窄的熔化温度区间是中间层介质获得 了Al-Zn合金在连接界面上的流动性和铺展性. 高流动性的必备因素之一 此外，Al-Zn共晶合金熔态时粘度较大，也影响了 (2)熔化时具有很好的流动性.共晶合金能 流动性s].Ge的价格约是A1的400倍，使用Al- 够满足这一要求. Ge共晶合金是昂贵的.Al-Si二元共晶合金含 (3)和基体金属具有良好的冶金相容性，尤 12.6%的Si,共晶温度为577℃，熔化时具有良好 其是在连接薄壁结构的铝蜂窝构件时，中间层介 的流动性和润湿性.Al-Si合金中的A1和Si元 质和基体金属发生润湿、熔解和扩散反应，不会造 素分别位于元素周期表中ⅢB和NB族相邻的位 成基体熔蚀，并生成最少量的脆性相 置，因此A1-Si共晶合金与铝的电极电位差很小， (4)和基体金属具有良好的电化学相容性， 电化腐蚀小，连接接头抗腐蚀性比其他铝二元共 电化腐蚀是造成铝及其合金和其他材料连接接头 晶合金好[13).本实验通过NETZSCH STA409C 处强度降低的主要原因，所以基体和中间层介质 高温差热分析仪测定A1-Sⅰ合金粉的液相线和固 的电极电势越匹配越好 相线分别为577℃和580℃，比3003铝合金蜂窝 (5)低成本.中间层介质的组元金属应当是 芯材的熔点低30~40℃，可以保证达到最低扩散 价格低廉的 连接温度610℃时A1-Si合金熔化为液态而钢基 因而，适合连接铝合金和钢的中间层介质的 体和铝芯材仍保持固态，不会在铝板表面造成熔 主要成分应当选择铝，因为铝和铝合金基体可以 蚀和过烧现象 达到最佳的冶金相容和电化学相容.但是铝的液 实验用中间层介质以精制的雾化A1-Si合金 相线温度在661℃左右，使用纯铝作中间层加热 粉作为主要成分，并加入适当比例的界面活性剂 时容易造成铝基体的熔蚀，必须添加合金元素降 和粘合剂配制成膏状.界面活性剂是无腐蚀性 低液相线温度 的，通过反应、熔解的机制去除铝合金表面致密的 铝能和很多金属元素形成二元共晶，其共晶 氧化膜，降低Al-Si合金和基体的界面张力，改善 温度和组成如表1所示 A1-Si合金的流动性和对金属表面的润湿性，提 Ni与A1的共晶温度较高，接近A1母材的熔 高界面的活性，促进界面原子扩散.粘合剂使A 点，因此不适于作为共晶反应材料.A1和Mg的 -Sⅰ合金粉和界面活性剂始终保持稳定的悬浮； 共晶合金由铝固溶体和A1,Mg2金属间化合物相 并能保持膏体在常温下长时间存放不分化、不 组成，后者占主要比例，造成AI-Mg合金非常脆 分层 AI和Ag的共晶合金因为含有较硬的金属间化合 图1是经特殊工艺复合而成的钢-铝液相扩 物相Ag2Al而非常脆，并且Ag2Al的电极电位比 散连接中间层介质的颗粒形貌图.在每个A1-S A高出很多，造成Al-Ag合金连接接头腐蚀速度 合金粉末颗粒表面都包覆了一薄层界面活性剂

V ol 。 2 8 N o . 2 李红等 : 不锈钢一 铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接 表面 , 将两块 不锈钢和铝 蜂 窝板叠 放 固 定后 放 入 高温箱式 电阻炉 中进行 加热 , 加热 到 6 10 一 6 20 ℃ 时保温 3 一 10 m in 不等 , 取 出空 冷 , 在加热 和 保温 过程通入 高纯 氮气 . 沿 扩散 连 接好 的钢 / 铝 蜂 窝 复合板 横截面进行线切 割制成金 相试样 , 用 C a m - b r i d g e S t e eor s e a n 3 6 0 型 扫描 电镜 ( s E M ) 和能谱 仪 ( E PM A )观 察和分析界面 结合区域 微观 组织 形 貌和 成分 . 在 M T S 一 8 10 型万 能 材料 试验机 上 测 试界 面剪切强 度 . 表 1 铝二元共晶合金 aT b l e 1 B ian 口 eu t e ct i e a l loy s w i t h a l u . 公川 um 和铝形成共晶的元素 共晶 温度 / ℃ 2 中间层介质 的选择和配制 要使钢铝蜂窝夹芯板基 板和芯 材连接界 面形 成牢固的冶 金结合 , 中间层 介 质合金 元 素的选择 必须满足以 下条件〔” 一 12] : ( 1) 液 相 点 熔 化温 度 区 间较 窄 , 中间 层合 金 应当是共晶合金或成分接近共晶合金 . 液相扩散 连接时 , 狭窄的熔化 温 度 区 间是 中 间层 介质获得 高流 动性的必备 因素之 一 ( 2) 熔 化时具有很 好 的流 动性 . 共晶合金 能 够满足这一要求 . ( 3) 和 基 体金 属 具 有 良好的 冶 金相 容性 , 尤 其是 在连接薄壁 结构的铝蜂 窝构 件时 , 中间层 介 质和基体金属发生 润湿 、 熔解 和扩散反应 , 不 会造 成基体熔 蚀 , 并生 成最少 量的脆性相 . ( 4) 和基 体金属 具有 良好 的电化学相 容性 . 电化腐蚀是造成铝及其合金和其 他材料连接接头 处强度 降低的 主要 原 因 , 所 以基体和 中间层 介质 的电极 电势越匹配越 好 . ( 5) 低成本 . 中间层 介质 的组 元 金属 应 当是 价格低廉的 . 因而 , 适合连接铝合金和 钢的中间层 介质 的 主要成分 应当选择 铝 , 因 为铝 和铝 合金基 体可以 达到最 佳的冶金相 容和 电化学相 容 . 但是 铝的液 相 线温度在 6 61 ℃ 左 右 , 使用纯 铝 作 中 间层 加 热 时容易造成铝 基体的熔蚀 , 必须 添 加合金 元素降 低液相线温度 . 铝能和很多 金属 元 素形 成二元 共 晶 , 其共 晶 温度和 组成如表 1 所示 . iN 与 iA 的共晶 温度 较高 , 接近 川 母材 的熔 点 , 因此不适于 作 为共 晶反 应 材料 . AI 和 M g 的 共晶合金 由铝固溶体和 1A 3 M g : 金 属 间化 合物相 组成 , 后 者占主要 比例 , 造成 A I一 M g 合金 非常脆 . iA 和 掩 的共晶合金 因为含有较硬 的金 属 间化合 物相 掩 Z iA 而 非常脆 , 并且 A g Z AI 的电极 电位比 lA 高 出很 多 , 造 成 川 一掩 合金连接接 头腐蚀速 度 共 晶成分 lA 一 6 . I N i iA 一 3 5 . 6 M g 周 一 7 1 . g A g 月 一 3 2 . 7 C u 川 一 94 . OZ n lA 一 5 1 . 6 G e 川 一 12 . 6 5 1 4056788120 64 ùà气曰t 34 ù一I 碗掩u趾iNCeG is 极快 . iA 一 C u 共 晶合金 也因为 含有大量 的硬 质金 属 间化合物相 从C u 而 较 脆 , 其 电极 电位 和 铝接 近 , 耐腐蚀 性比 lA 一掩 合金 好 . IA 一 z n 共 晶合金 和富 iA 的亚 共晶 lA 一 Z n 合金 的液 相点 熔化温 度 范围太宽 ( 约 70 ℃ ) , 且 z n 一 lA 互 溶度很 大 , 降低 了 川 一 z n 合金 在连接界面 上 的流 动性和铺展性 . 此外 , iA 一 Z n 共 晶合金熔 态时粘度较大 , 也 影 响了 流动性 5[] . G e 的 价格约是 lA 的 4 0 倍 , 使用 iA - G e 共 晶合 金是 昂 贵的 . IA 一 is 二 元共 晶 合金 含 1 2 . 6 % 的 is , 共晶温度为 5 7 7 ℃ , 熔化 时具有 良好 的流 动性和 润湿 性 . IA 一 iS 合金 中的 lA 和 iS 元 素分 别位于 元素周期表中 m B 和 W B 族相 邻 的位 置 , 因此 lA 一iS 共晶合金 与铝 的电极 电位差 很 小 , 电化 腐蚀 小 , 连接接头抗腐蚀性 比其 他铝 二 元 共 晶合金好〔` 3 ] . 本实验 通 过 N E T Z SCH S TA 40 9 C 高温差 热分析仪 测定 iA 一iS 合金粉 的液相线和 固 相线 分别为 5 7 7 ℃ 和 5 80 ℃ , 比 3 0 0 3 铝 合金蜂窝 芯材 的熔点低 30 一 40 ℃ , 可以 保证达到 最低 扩散 连接温度 61 0 ℃ 时 iA 一 iS 合金熔 化为液 态 而钢基 体和 铝芯材仍 保持固态 , 不 会 在 铝板 表面造 成熔 蚀和过烧现象 . 实验 用中间层介质以 精制 的雾化 iA 一 iS 合金 粉作为 主要成 分 , 并 加入 适 当 比例 的界 面 活性剂 和 粘合剂 配制 成 膏状 . 界 面 活性剂 是 无 腐蚀性 的 , 通 过反 应 、 熔解的机制去除铝合 金表 面致密 的 氧 化膜 , 降低 lA 一 iS 合金和 基体的界面 张力 , 改善 A I一 iS 合金 的流 动性 和对 金 属 表 面 的 润 湿性 , 提 高界面 的活性 , 促 进界 面 原子扩 散 . 粘 合剂 使 lA 一 iS 合金粉和 界 面活 性剂始终保持稳 定 的悬 浮 ; 并 能 保持 膏体在 常温 下 长 时间存放 不 分 化 、 不 分 层 . 图 1 是经特殊工艺复合而成的钢 一 铝液相扩 散连接中间层介质的颗粒 形 貌图 . 在每个 iA 一 iS 合金粉末颗粒表 面 都包覆 了一薄层界 面 活性剂

·140 北京科技大学学报 2006年第2期 这样就保证了Al-Si合金粉和活性剂的最佳比 3结果和讨论 值，从而完全发挥中间层介质的最佳活性与润 湿性 3.1不锈钢-铝合金结合界面区微观组织观察 和元素扩散情况分析 图2所示为复合后的钢铝蜂窝板结合界面的 扫描电镜组织形貌.可以看出，中间层介质熔解 并和基体发生互扩散后，钢和铝之间形成了较为 致密的连接.图2(a)是中间层介质与不锈钢基体 结合界面处的组织，左边是中间层介质，右边是钢 基体，可以看出结合界面的界线比较模糊，说明 600un 中间层介质与钢基体发生了原子的互扩散.图2 (b)是中间层介质与铝合金基体结合界面处的组 图1中间层介质形貌 织，左边是铝基体，右边是中间层介质，界面变得 Fig.1 Scanning electron mlcrograph (SEM)of powder inter- 较为模糊，界面结合区域没有气孔、夹杂和裂纹等 layer metal 缺陷，说明中间层金属与铝基体已经发生了晶间 互溶 (b) 图2钢铝蜂窝夹芯板界面结合区城形貌(S3M).(a)304奥氏体不锈钢和中向层介质结合界面：(b】3003防锈铝合金和中间层介 质结合界面 Flg.2 Microstructure of Al alloy 3003/SUS304 honeycomb plate bonded interface (SEM):(a)bonded interface of SUS304/Interlayer; (b)bonded interface of interlayer/Al 3003 通过SEM观察和EPMA成分分析，界面区 合金一润湿基板，铝基板就开始迅速熔解，中间层 组织主要由Al-Si固溶体、AI-Si共晶相和少量 金属中的铝和硅元素会向基板纵深处发生晶间渗 的Fe一Si-Al金属间化合物组成.在图2(b)铝 透.而中间层金属熔化时，铝基板也向熔态中间 合金和中间层结合界面区可以观察到在团状的黑 层中部分熔解，形成A-Si共晶组织.冷凝时，熔 色基体上生长着一些白色组织，EMPA能谱分析 态金属中的过剩相(AI)即沿着铝基体的某些晶粒 显示这些白色组织的主要成分是S,较细的白色 为晶核结晶长大，表现为界面区靠铝基板的一侧 带状晶体是共晶Si,黑色的基体是a-A1(Si)固溶 呈凸凹不平的峰峦状，由图2(b)可见.另外，在不 体相，这是因为中间层A1-Si共晶合金的组织是 锈钢和中间层结合界面区进行的EMPA能谱分 a(A1)固溶体和硅形成的共晶，577℃时，Si元素 析表明此处组织主要成分是Fe,Si和Al,这是因 在固溶体中的最大溶解度是1.65%[14].冷凝阶 为扩散连接温度达到615℃时，钢基体中的铁迅 段先从铝基体表面开始结晶，a(AI)固溶体首先从 速向中间层介质A1-Si合金中溶解，达到一定浓 结合界面区分离出来，再从初晶Si和共晶Si中分 度后，冷凝时，首先在界面上析出部分Fe一Si一Al 离出来，共晶组织最后才凝固，因此在界面区可 金属间化合物 以发现一层参差不齐地向界面中心生长的硅在铝 液相扩散连接过程中，基体和中间层介质各 中的固溶体，固溶体组织具有良好的强度和塑 元素的扩散是导致界面间形成治金结合和不同多 性，对界面结合性能是有利的，同时，熔态的铝硅 相组织逐渐形成的主要原因.为定量分析界面结

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年 第 2 期 这样就 保证 了 iA 一 iS 合金粉 和 活 性剂 的 最 佳 比 值 , 从 而 完 全 发挥 中 间 层 介质 的 最 佳 活 性 与 润 湿性 . 图 1 F lg . l S ca n ” i嗯 e leC t伽 l a y er m e t a l 中间层介质形貌 m i c r 侧罗, Ph 《 S EM ) o f 卯 w d e r i nt e r · 3 结果和讨论 3 . 1 不锈钢 一铝 合金 结合界面 区 微观组 织观察 和元素扩散情况分析 图 2 所示 为复合后 的钢铝 蜂窝板结合界面的 扫 描 电镜组织形 貌 . 可以看 出 , 中间层 介质熔解 并和 基体发生互 扩 散后 , 钢和 铝 之 间形 成了较为 致密的连接 . 图 2 ( a )是中间层介质与不锈钢基体 结合界 面处的组 织 , 左边是中间层介质 , 右边 是钢 基 体 . 可 以 看出结合界 面 的界线 比较模糊 , 说 明 中间层介质与钢基体发 生 了原 子 的互 扩散 . 图 2 ( b) 是 中间层介质与铝 合金基 体结合界 面 处 的组 织 , 左边 是 铝基体 , 右边 是 中间层 介质 , 界 面变得 较为模糊 , 界面结合区域没有气孔 、 夹 杂和裂纹等 缺陷 , 说明中间 层金 属 与铝 基 体已 经 发生 了晶间 互 溶 . 图 2 铜铝蜂窝夹芯板界面结合区城形貌 ( s E M 〕 . 《a) 3 04 奥氏体不锈钢和中间层介质结合界面 ; ( h) 3 0 03 防锐铝合盘和 中间层介 质结合界面 F l g . 2 M l e r OS t r u c t uer o f 月 日l叮 3 00 3 / s U 3S 0 4 h oen y co m b p lat e bo . d el iut er “ ce 《S EM ) : 《 a ! b o n d ed i n t e 州恤ce of S U 3S 0 4 / I n et lr a ,er ; ( b ) ob dn 曰 I n t e南 ce o r 一n et r l a y e r / ^ 1 3 0 0 3 通 过 SE M 观察和 E P M A 成分 分 析 , 界 面 区 组织 主 要 由 iA 一 iS 固溶 体 、 川 一 iS 共晶相 和 少 量 的 F e 一iS 一 lA 金属 间 化合物组 成 . 在 图 2 ( b) 铝 合金 和中间层结合界面 区可以观 察到在 团状 的黑 色基 体上生 长着 一 些 白色组 织 , E M P A 能谱分析 显示这 些 白色 组织 的主要 成分是 iS , 较细 的 白色 带状 晶体是共晶 iS , 黑色 的基 体是 a 一 lA ( iS ) 固溶 体相 . 这是因为中间层 iA 一iS 共晶合金 的组 织是 a( iA ) 固溶体和硅 形成的共 晶 , 5 7 ℃ 时 , iS 元素 在固溶体 中的 最大溶解度是 1 . 65 % 〔’ 4〕 . 冷凝 阶 段先从铝 基体表 面开 始结晶 , a( 川 ) 固溶体首先从 结合界 面区 分离 出来 , 再从初 晶 is 和共 晶 is 中分 离 出来 , 共晶组 织 最后 才凝固 . 因 此在界 面 区可 以发 现一层参差不齐地 向界 面 中心生长 的硅在铝 中的 固溶体 . 固溶体组 织 具 有 良好 的强 度和 塑 性 , 对 界面结合性能是 有利 的 . 同时 , 熔态 的铝硅 合金一 润湿基板 , 铝基 板就开 始迅速熔 解 , 中 间层 金属 中的铝和硅 元素会 向基 板纵深处发生晶 间渗 透 . 而 中间 层金 属 熔化时 , 铝 基板 也 向熔 态 中间 层 中部分熔解 , 形 成 lA 一 iS 共晶组 织 . 冷凝时 , 熔 态金属 中的过剩相 ( lA )即沿着铝基 体的某些 晶粒 为晶核结晶长大 , 表现 为 界面 区 靠铝 基板的一 侧 呈 凸凹 不 平的峰峦状 , 由图 2( b) 可见 . 另外 , 在不 锈钢和 中间层 结合界面 区进 行的 E M P A 能谱分 析表明此 处组织 主要成分是 F e , is 和 iA . 这是 因 为扩散 连接 温度达 到 6巧 ℃ 时 , 钢基体 中 的铁 迅 速 向中间层介质 lA 一 iS 合金 中溶解 , 达到 一定 浓 度后 , 冷凝时 , 首先 在界面 上析 出部分 F一iS 一lA 金属 间化合物 . 液相扩散连接过 程 中 , 基体和 中间 层 介质 各 元 素的扩散 是导致 界面 间形成冶金结合和 不同多 相组 织逐渐形成 的主要原 因 . 为 定量 分析 界面 结

Vol.28 No.2 李红等：不锈钢-铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接 ·141· 合区域元素的扩散和分布情况，采用能谱分析方 做出中间层介质和不锈钢结合界面区、中间层介 法，在图2(a)和(b)的界面区从左至右分别选取5 质和铝合金结合界面区Al,Si,Fe,Cr等元素的扩 个点进行研究.根据对1~5点的能谱分析分别 散曲线，如图3(a)和(b)所示. 80(a 100 90 (b) --Al 70 -=A1 --Si -0-Si 380 w-Cr 每60 0- -Cr 每70 -Fe -Fc 60 ◆Ni 界面区 50 铝基体 不锈钢基体 界面区 盆40 20 30 20 10 6 10 0864 -202 4 6 00 -20 -10 0 1020 30 距离μm 距离m 图3钢铝蜂窝夹芯板界面结合区元素质量分数分布.(a)304不锈钢/中间层结合区：(b)中间层/铝合金3003结合区 Fig.3 Calculated element distribution curves of Al alloy 3003/SUS304 bonded interface:(a)bonded zone of SUS304/interlayer;(b) bonded zone of interlayer/Al 3003 从图3(a)可以看出，在中间层和不锈钢的结 89,在MTS-810试验机上进行界面剪切强度测 合界面区域，靠近界面区域的中间层侧的1点和 试.从图5可以看出不同保温时间对剪切强度的 2点的主要成分除Al和Si外，还出现了较多的 影响，保温3min,5min和l0min的界面剪切强度 Fe和少量的Cr,Ni元素，这几种元素是中间层介 切割部位 质中不存在的，说明不锈钢基体向中间层发生了 切制部位 明显的扩散.不锈钢侧3,4,5点的主要成分是 Fe,Cr,Ni和Mn,但也出现了少量的Al、Si元素， 中间层 这是A1-Si共晶合金中的Al和Si元素从中间层 向不锈钢基体扩散的结果.不锈钢基体和中间层 金属间发生了元素的互扩散，导致富铝的中间层 介质和不锈钢的结合界面区会出现少量Fe一 图4剪切试样 Si一A1金属间化合物.图3(b)中，铝合金基体区 Fig.4 Shearing sample 域1点和2点的主要成分是A和少量的Si,但同 时出现了少量的Fe和Cr元素，这两种元素是铝 基体中不存在的，说明不锈钢基体中部分Fe元素 35 和Cr元素穿越了中间层扩散到铝基体中，中间 5 层3,4,5点的主要成分是铝和硅，沿界面向右靠 20 近钢基体A的含量逐渐减少，Fe的含量逐渐增 15 密10 多.Al,Si,Fe和Cr原子均沿结合界面发生了不 5 同程度的扩散，这一过程也是不锈钢和铝合金两 7 7 710 种基体原子相互扩散和交换电子，形成金属键连 保温时间min 接的过程.随着原子的进一步靠近，原子相互间 图5保温时间和剪切强度的关系 的引力和斥力大小相等，原子间相互作用力为零， F1g.5 Variation in shear strength of interface with holding time 此时自由电子成为共有，与基体晶格点阵的金属 离子相互作用形成金属键，使不锈钢和铝合金间 都低于保温7min的，保温7min可以达到较高的 形成冶金结合5].同时，在原子的扩散迁移过程 剪切强度，最高为37.3MPa,平均剪切强度达 中，不同多相组织如Al-Si固溶体、A】-Si共晶相 30.5MPa.断裂均发生在钢和中间层结合界面 和Fe-Al金属间化合物逐渐形成 上，证明铝和中间层的结合强度比不锈钢和中间 3,2界面结合强度实验结果 层的结合强度高，结合强度主要由铝合金和中间 如图4加工剪切试样，根据标准GB11363一 层的结合强度决定，不锈钢和中间层铝元素形成

V o l . 2 8 N o . 2 李红等 : 不锈钢一 铝蜂窝夹芯板 的液相扩散连 接 合区域 元素的扩散和分 布情况 , 采 用 能谱分 析 方 法 , 在图 2 ( a) 和 ( b) 的界面 区从左 至右分 别选取 5 个 点进 行研究 . 根据 对 1 一 5 点的 能谱分析分别 做 出中间层介 质和 不锈 钢 结合界 面 区 、 中间层 介 质和铝 合金结 合界面 区 iA , iS , F e , C r 等元 素的扩 散 曲线 , 如 图 3 ( a) 和 ( b) 所示 . 100 尸 es 一 - - , 甲` 二二二二二二二丁一一- , 尸- 一一 ~ A l ~ 5 1 ~ C r 一 , ~ F e a()卜 `Lse卜esL n0 八O,沙 6 5 0 4 0 界 面区 铝基体 7 3 0 U。 2 0 不锈钢基体 一 讨 一一 创 象余酬唱名般长芝 , “ r 0 七 一 巧 一 2 0 2 距离 /卿 4 6 8 一 2 0 一 1 0 0 距离 /林m 10 20 3 0 ; l 90780654032100 卜匕30| 一 彭卞妈名报途喇嘿 图 3 钢铝蜂窝夹芯板界面结合区元紊质 t 分数分布 . 《a) 3 04 不锈铜 / 中间层结合区 ; ( b ) 中间层 /铝合金 3 0 03 结合区 n g . 3 ca 一园 a t曰 el e衅 n t 山 s t d b u ti on e vuesr o r ^ l 日 loy 3 0 0 3 / s u 犯 0 4 bo . d曰 int e r af eC : ( a ) 加. d de oz ue of s U3S 0 4 / i ent lr ’ae r ; ( b ) bo dn de ouz e o f i n t e lr a y e r/ A I 30 03 加4035021510 侧称己连烈易 从 图 3( a )可以看出 , 在中间层 和 不锈钢的结 合界面 区域 , 靠近 界 面 区域 的 中间 层侧 的 1 点和 2 点 的 主要 成 分除 lA 和 iS 外 , 还 出 现 了较 多 的 eF 和少量 的 rC , iN 元素 , 这 几种元素是中间层介 质中不存在的 , 说 明不锈钢基体 向中间层 发 生 了 明显 的扩散 . 不 锈钢侧 3 , 4 , 5 点的 主 要 成分是 F e , Cr , iN 和 M n , 但也 出现 了少量 的 iA 、 iS 元 素 , 这是 iA 一iS 共晶合金 中的 lA 和 iS 元 素从中间层 向不锈钢基体扩散的结果 . 不锈钢基 体和 中间层 金属 间发生 了元 素的互 扩散 , 导 致富铝 的中间层 介质和 不 锈 钢 的结 合界 面 区 会 出 现 少 量 F e一 iS 一月 金属 间化合物 . 图 3 ( b) 中 , 铝 合金基 体区 域 1 点和 2 点的主要成 分是 lA 和少 量的 iS , 但同 时出现了少量 的 F e 和 C r 元素 , 这 两 种元素是铝 基体中不存 在的 , 说明不锈钢基体中部 分 F e 元素 和 C r 元素穿 越 了 中间层 扩散 到 铝 基体中 . 中 间 层 3 , 4 , 5 点 的主要 成分是铝 和 硅 , 沿 界面 向右靠 近钢基体 iA 的含 量逐渐减 少 , eF 的含量逐渐增 多 、 lA , iS , F e 和 C r 原子 均 沿结 合界 面发 生 了 不 同程度的扩散 , 这一过 程 也是不锈钢和 铝合金 两 种基体原子相互扩散和 交换 电子 , 形 成 金 属键连 接的过 程 . 随着原子 的 进一 步 靠近 , 原 子 相互 间 的引力和 斥力大 小相等 , 原子 间相互 作用力 为零 , 此时 自由电子 成为共有 , 与基体 晶格 点阵 的金属 离子相互 作用 形成 金属 键 , 使 不锈 钢和铝 合金 间 形成 冶金结合〔` 5〕 . 同时 , 在 原 子 的扩散迁 移过 程 中 , 不 同多相 组织 如 iA 一 iS 固溶体 、 iA 一 iS 共 晶相 和 F e 一川 金属 间化合物逐渐 形成 . 3 . 2 界面结合 强度实验 结果 如图 4 加工 剪切试样 , 根 据 标准 G B l l 3 6 3一 89 , 在 M T S 一 81 0 试验机上 进 行界 面 剪切 强度 测 试 . 从 图 5 可 以 看出不 同保温 时 间对 剪切强 度的 影 响 , 保温 3 m i n , s m i n 和 i o m i n 的界面 剪切强 度 图 4 剪切试样 n g . 4 s 恤盯百ug s am P l e 二 / 一 \ 图 5 V 盯i a t i o n 保温时间 m/ in 保沮时 间和剪切强度的关系 F ig . 5 ti 幻口e i n s let ar s t er n g t h o r i n t e r fa eC 川t卜 七川d i n g 都低于保温 7 m in 的 , 保温 7 m in 可以达到 较高的 剪切 强 度 , 最 高 为 37 . 3 M aP , 平 均 剪 切 强 度达 3 0 . 5 M P a . 断 裂 均 发生 在钢和 中间层 结合界 面 上 , 证明铝和 中间层 的结合强度 比不锈钢和 中间 层 的结合强 度高 , 结合强 度主要 由铝合金 和 中间 层 的结合强 度决定 , 不锈钢和 中间层铝 元 素形成

·142 北京科技大学学报 2006年第2期 少量Fe-Al金属间化合物，使接头变脆，降低了 界面结合强度6].图5也证实了这一结论 界面结合强度 根据本实验研究，认为不锈钢和铝合金中间 3,3中间层介质的作用和工艺参数的影响 层介质液相扩散连接的最佳扩散连接温度是615 通过对液相扩散连接界面的结构分析和强度 ℃，保温时间少于10min(7min可以达到最高界 测试，证明加热到610~620℃，保温5~7min的 面结合强度) 条件下，采用铝硅合金、界面活性剂和粘合剂配制 4 成的中间层介质能够有效连接钢和铝这两种物理 结论 和化学性能差别较大的金属.中间层介质具有决 (1)连接异种金属的中间层介质必须具有狭 定性的作用，这是因为在同种或异种材料液相扩 窄的熔化温度区间，并和基体金属有良好的冶金 散连接过程中，在材料被连接表面和结合界面区 相容和电化学相容性.与其他铝二元共晶合金相 发生了复杂的治金和化学反应，界面液化及其控 比，铝硅共晶合金熔化时具有良好的流动性和润 制是实现界面冶金结合的重要条件.首先，在610 湿性；A1-Si共晶合金与铝的电极电位差小，电化 一620℃时，A1-Si共晶合金熔化为流动性良好的 腐蚀小，结合界面抗腐蚀性比其他铝二元共晶合 液体，界面活性剂具有强去膜能力和活性，能够 金好，并且价格低廉.因此是中间层介质主要成 在极短的时间内去除铝基体表面的氧化膜，降低 分的最佳选择. 液态铝硅合金与基体间界面张力，使得铝硅合金 (2)在加热温度为610~620℃，保温时间5~ 在不锈钢和铝合金被连接表面产生充分的润湿. 7min时，利用中间层介质的冶金反应产生液相， 基体被液态中间层润湿是保证它们紧密接触并形 通过液相与钢铝两种基体金属的润湿、熔解和和 成良好连接的必备条件，这种现象的驱动因素是 互扩散，304不锈钢板和3003铝合金蜂窝夹芯板 表面自由能和液相扩散连接过程化学反应生成相 结合界面形成了牢固的冶金结合.扫描电镜和能 形成的自由能.在润湿条件建立以后，毛细现象 谱分析表明：结合界面附近存在较为明显的扩散 导致液态中间层流动并致密地填满被连接基体的 特征，界面呈镶嵌状互相咬合，没有发现空洞、裂 缝隙，从而使不锈钢和铝合金基体和中间层的原 纹等微观缺陷，因此钢/铝界面结合比较紧密；界 子进一步互相扩散，最终在连接界面形成冶金 面区由a(Al)固溶体、Al-Si共晶相和少量Fe一 结合. Si一A1金属间化合物组成 合理的液相扩散连接工艺是获得良好结合界 (3)不锈钢和铝合金的中间层介质液相扩散 面的重要保证.本实验对不锈钢和铝合金中间层 连接对工艺参数是敏感的.加热温度为615℃ 介质液相扩散连接的工艺步骤作了初步的探讨. 时，保温时间应少于l0min,可以避免脆性Fe-Al (1)实际的固体材料表面总是粗糙不平的，覆 金属间化合物层形成.使用N2保护，可以减小金 盖着难以清除的气体吸附层和氧化层[15].吸附 属表面氧化对界面复合的不利影响. 层和氧化层会形成污染，将两种复合金属基体隔 开，严重阻碍原子间的结合；因此连接前必须对钢 参 考文献 板和铝蜂窝芯待连接表面进行化学脱脂处理和机 [1 张广平，戴干策.复合材料蜂窝夹芯板及其应用.纤维复合 械清刷，除去表面吸附层和氧化层，造成粗糙表 材料.2000,25(2)：18 面，提高中间层在基体表面的润湿性和流动性，保 [2] 胡亚民，王志强，钱进浩.金属复合成形技术的新进展，现 代制造工程，2002,10：94 证原子间能进行充分的扩散 [3]Kawanami.夕テyド材)制造技術现状上展银.塑性上 (2)加热炉采用N2保护.流动的N2可以带 加工，2001,42(3)：168 走氧化物附近积聚的分解出的氧，有助于保持容 [4]Takeuchi E,Zeze M,Tanaka H,et al.Continuous casting of 器内低的氧分压，保证氧化物完全分解， clad steel lab with levei magnetic field brake//Steel.making (3)加热温度和保温时间对中间层熔化和界 Conference Proceedings.Pittsburgh,1996:225 面反应具有显著影响.根据Fick定律和扩散系 [5]Bhadeshia H K D H.Joining of commercial aluminum alloys// Proceedings of International Conference on Aluminium IN- 数方程，温度提高能加快原子扩散和界面反应的 CAL'03).Aluminium Association of India,2003:195 进行；但温度过高，会造成铝合金基体的熔化或熔 [6]Liu Y,Naoe H,Tadatama S.TEM investigation of stainless/ 蚀.保温时间过长，中间层介质和不锈钢结合界 aluminum interface created by the surface activated bonding 面区的Fe-一Si一Al金属间化合物层会增厚，降低 method.Nucl Instrum Metbods Phys Res B,1997,121:519

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 2 期 少量 F e 一 iA 金 属 间 化合物 , 使 接头 变脆 , 降低 了 界 面结合强度 . 3 . 3 中间层介 质的作 用和工艺参数的影响 通过 对液相 扩散连 接界面 的结构分析和强 度 测试 , 证 明加 热到 6 1 0 一 6 2 0 ℃ , 保温 5 一 7 m i n 的 条件下 , 采用 铝硅合金 、 界面 活性剂和 粘合剂配 制 成的 中间层介质能够有 效连接钢和铝 这两种物理 和化学性能差别较大的金属 . 中间 层介 质具有 决 定性 的作用 , 这是因为 在 同种或 异 种材 料液 相 扩 散连 接过 程中 , 在 材料 被连接表面和 结合界 面 区 发生 了复杂的冶金 和 化学 反 应 , 界 面液化及 其控 制是 实现界面 冶金结合 的重要 条件 . 首先 , 在 6 10 一 6 2 0 ℃ 时 , iA 一iS 共晶合金熔化 为 流动性 良好的 液体 . 界面 活性剂 具 有强 去 膜能力 和 活性 , 能 够 在极 短 的时间 内去 除 铝基 体表面 的氧化膜 , 降低 液态铝硅合金 与基 体间界 面 张 力 , 使得 铝 硅合金 在不锈钢 和铝合金 被连接表 面 产生 充分 的润 湿 . 基体被液态 中间层润湿 是保证它们 紧密接触并形 成 良好连接的必 备条件 . 这种现象 的驱 动因 素是 表面 自由能和液 相扩散连接过 程化学 反应 生成相 形成 的 自由能 . 在 润湿 条 件建立 以后 , 毛细 现 象 导致液 态 中间层 流动并 致密地 填满被 连接基体的 缝 隙 , 从 而使不 锈钢和 铝合金 基 体和 中间层 的原 子进 一 步 互 相 扩 散 , 最 终 在连 接 界 面 形 成冶 金 结合 . 合理 的液相 扩散连接工艺是获得 良好结 合界 面的重要 保证 . 本实验 对不 锈钢和铝 合金 中 间层 介质液相 扩散连 接的工 艺步骤 作了初 步的探讨 . ( 1) 实际 的固体材料表面 总是粗糙 不平的 , 覆 盖 着 难 以 清 除的 气体 吸 附层 和 氧 化层 〔` 5〕 . 吸 附 层和 氧化层会 形 成 污 染 , 将两 种复合金 属基 体隔 开 , 严重阻 碍原子 间的结合 ; 因此连接前必须对钢 板 和铝蜂 窝芯待连接表 面进行化 学脱脂处理和 机 械清 刷 , 除去 表 面 吸 附层 和 氧化层 , 造 成 粗糙表 面 , 提 高 中间层 在基体表 面的润湿 性和 流动性 , 保 证原 子 间能进行 充分的 扩散 . ( 2 )加热 炉采 用 N : 保护 . 流 动的 N : 可以 带 走氧化物附近 积 聚 的分解 出 的氧 , 有 助 于保持容 器 内低 的氧分压 , 保证氧 化物完 全分解 . ( 3 )加热 温 度和 保 温时间 对 中间层熔 化 和 界 面反应具 有显 著影 响 . 根 据 iF ck 定律和 扩散 系 数方 程 , 温 度提 高能加快原 子 扩散和 界 面反 应 的 进行 ; 但温度过 高 , 会造 成铝合金基体的熔化或熔 蚀 . 保温 时间过 长 , 中间层介质和 不锈 钢结合界 面区 的 eF 一is 一lA 金属 间化合物 层会 增厚 , 降低 界面结合强度 〔` 6〕 . 图 5 也证实了这一结论 . 根据本实验 研究 , 认为 不 锈钢和 铝 合金 中 间 层介质液 相扩散连接的最佳扩散连接温度是 61 5 ℃ , 保温 时间少 于 10 m in( 7 m in 可 以达到 最 高界 面结 合强度 ) . 4 结论 ( 1) 连接异 种金属 的中间层 介 质必 须 具 有狭 窄的熔 化温度区 间 , 并和 基体金 属 有 良好的冶金 相容和 电化学 相容性 . 与其他铝 二 元共 晶合金相 比 , 铝硅共晶合金 熔 化时 具 有 良好的流 动性 和润 湿性 ; iA 一 is 共晶合金 与铝 的电极 电位 差 小 , 电化 腐蚀小 , 结合界面 抗腐蚀 性 比其他铝二 元 共晶合 金好 , 并且 价格 低廉 . 因此 是中间层介质主要 成 分的最佳选择 . ( 2 )在加热温度为 6 10 一 6 2 0 ℃ , 保温 时间 5 一 7 m in 时 , 利 用 中 间层 介质的 冶 金反 应 产 生液 相 , 通过液相 与钢铝 两种基体金 属 的润湿 、 熔 解和和 互扩散 , 3 04 不锈钢板和 3 0 0 3 铝合金 蜂窝夹 芯板 结合界 面形成了牢固的冶金 结合 . 扫描 电镜和能 谱分析表明 : 结合界面 附近 存在较 为 明显 的扩散 特征 , 界面 呈镶 嵌 状 互相 咬合 , 没 有发 现 空洞 、 裂 纹等微观缺陷 , 因此 钢/ 铝 界 面结合 比较 紧密 ; 界 面 区 由 a( lA ) 固溶体 、 lA 一 is 共晶相 和 少 量 eF 一 iS 一iA 金属 间化合物组 成 . ( 3 ) 不锈钢和 铝合金 的 中 间层 介质液 相 扩散 连接对 工 艺 参 数是 敏 感的 . 加热 温 度为 6 15 ℃ 时 , 保温时 间应 少于 10 m in , 可 以避免脆性 eF 一 lA 金属 间化合物层形成 . 使用 N : 保护 , 可 以减 小金 属表面 氧化对界面复合的不利影响 . 参 考 文 献 【1 」 张广平 , 戴干策 . 复合材料蜂窝夹芯板及其应用 . 纤维盆合 材料 , 2 0() 0 , 2 5 ( 2 ) : 1 8 〔2 〕 胡亚民 , 王志强 , 钱进 浩 . 金属 复合成形技术 的新进 展 . 现 代制造工程 , 20 02 , 1 0 : 9 4 【3] K a 一 . 夕 于 少 卜材内 制造技衍刃 现 状 七展 望 . 塑性 七 加工 , 2 0 0 1 , 4 2 ( 3 ) : 16 8 [ 4 1 T a k e u e h i E , z ez e M , T an k a H , e t al . C冶n t谊ou us e as t i gD o f 。 l a d s t e el lab w it h l e ve l m a g n e t i e f i e ld b ar k e / S t e e l . m a ki叱 oC n fe r en e e P ocr e e d i n g s . P i t t s b u 唱h , 19 9 6 : 2 2 5 [ 5 ] B h a d e s ih a H K D H . J o i n 又飞 o f co nue r e i a 一已u nu u m al o y s / P ocr e e d i飞 5 o f I nt e m at i oan l oC nf er e cn e on 川u rm n i u m ( IN - CA工 ’ 0 3 ) 月u ml n i uzn sA ocs i a t ion of I n d i a , 2 0 0 3 : 19 5 [ 6 」 L i u Y , N ao e H , T a dat am 5 . 花M i n ves t 云g a t io n o f s t a i n l es / al urn i n u m i n t e 讨ac e e r e at de b y t h e s u arf e e a e t i v a t e d ob n di昭 m e t h o d . N o e l I ns 扮口口 M e ht 曰5 P b y s R es B , 1 9 9 7 , 12 1 : 5 19

Vol.28 No.2 李红等：不锈钢-铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接 ·143· [7】朱兆华，胡文韬，梁惠冬.不锈钢/铝/不锈钢轧制复合工艺 [12]Jacobson B D M.Humpston G,Sangha S P S.A new low 的研究.铝加工，2002,25(4)：8 melting-point aluminium braze.Weld J,1996,8:243 [8】张学宾，崔建忠，上官林建.铝/钢液固相复合轧制中工艺 [13】左景伊，左禹.裔蚀数据与选材手册，北京：化学工业出版 参数的研究.塑性工程学报，2000,7(4)：40 社，1995：78 [9]Gale W,Wen F,Shen X.Diffusion brazing of titanium alu- [14]Li Y J.Structure features of cast aluminum alloy weld with minide wettability microstructural development and mechanical TIG welding.Weld Joining,1992.7:5 properties.Int Brazing Soldering Conf Proc,2000:42 [15]陈铮，周飞，王国凡.材料连接原理.哈尔滨：哈尔滨工业 [10]Liu P,Li YJ,Wang J,et al.Vacuum brazing technology and 大学出版社，2001：174 microstructure near the interface of Al/18-8 stainless steel. [16]Roulin BY M,Luster J W,Karadeniz G,et al.Strength and Mater Res Bull,2003,8:1493 structure of furnace-brazed joints between aluminum and [11]张启运，刘椒棋，胡佳.A-S共晶合金变质机理的探讨 stainless steel.Weld J,1999,5:151 (Ⅱ).金属学报，1984,20(2)：138 Interlayer design and its effect on the liquid diffusion of steel-Al honeycomb sandwich panels LI Hong,HAN Jingtao Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The principle for choosing proper interlayer materials to bond dissimilar metals was dis- cussed.An appropriate interlayer was designed and bonding experiment was carried out to join stainless steel panel with aluminum alloy honeycomb core.The function of interlayer was investigated by analyzing the interface microstructure and examining the joint strengths.The effect of processing parameters on the interface microstructure and liquid diffusion bonding was also discussed.The results show that good wetting and spreading properties in the interlayer were attained so that firm metallurgical bonding between stainless steel and aluminum was obtained. KEY WORDS composite materials;interlayer;liquid diffusion bonding;interface;metallurgical bonding

V lo 。 2 8 N o 。 2 李红等 : 不锈钢一 铝蜂窝夹芯板的液相扩散连接 1 4 3 . , J. , Jr 妇,飞à ù且. 尸 ,l . L , . J 勺 I J 4 且,1 ùùI r . L. L 〔7 ] 朱兆华 , 胡文韬 , 梁惠冬 . 不锈钢 / 铝 /不锈钢轧制复合工 艺 的研究 . 铝加工 , 2 0 0 2 , 2 5 ( 4 ) : 8 【8] 张学宾 , 崔建忠 , 上 官林建 . 铝/钢 液 固相复合轧制 中工 艺 参数的研究 . 塑性工程学报 , 2 0 0 , 7( 4) : 40 【9 〕 G a l e w , w e n F , S h e n x . D iff u s i o n b arz i飞 o f t i t an i u m al u - m in ide w e t t ab ilit y ml e or st ru e t u r al d ve oet p n l e n t a n d cme h acnl al P or p e rt i e s . I吐 B r az igu oS lde ir gn C on f P丫OC , 2 0 0 0 : 4 2 [ 一0 」 L i u P , L i Y J , w a 飞 J , e t al . V a e u um b r az i昭 t e e h n o l o g y a n d im e ors t ru e t u re n e ar t h e i n t e rf ac e o f A】/ 18 一 8 s t ia in e s s t e e l . M at er R es B ul l , 2 0 0 3 , 8 : 1 4 9 3 【n ] 张启运 , 刘淑棋 , 胡佳 . IA 一 iS 共 晶合金变质 机理 的探讨 ( fl ) . 金属学报 , 1 98 4 , 2 0 ( 2 ) : 1 3 8 [ 16 1 J a e o bos n B D M , H um p s ot n G , S a n g h a 5 P 5 A n e w l o w - m e l t i n g ~ 卯i n t al um i n i u m b r az e . W e ld J , 19 9 6 , 8 : 2 4 3 左景伊 , 左禹 . 腐蚀数据与选材手册 . 北京 : 化学工业出版 社 , 1 9 95 : 7 8 L i Y J . S t r u e t ur e f ea t u r es o f e as t al um i n u m al l o y w e ld w i t h T IG w eld i n g . w 记 Id J o 加 场g , 19 9 2 , 7 : 5 陈铮 . 周飞 . 王 国凡 . 材料连接原理 . 哈 尔滨 : 哈尔滨工业 大学出版社 , 2 0 0 1 : 17 4 R o ul i n B Y M , L u s t e r J W , K ar ad e n i z G , e t al S t r e眼 t h an d s t r u e t u r e o f f u rn a e -e b arz e d i o i n ts s t al 址e s s t e e l . W e ld J , 1 9 99 , 5 : b e t w e e n al u n l i n u m an d 15 1 I n t e r l a y e r d e s i g n a n d it s e f f e e t o n t h e liq u id d if f u s i o n o f s t e e l 一 iA h o n e y e o m b s a n d w i e h p a n e l s L l Ilo n g , 月叭 N iJ n gt ao M at e r i a l s cS ien e e a n d E n g in , r i n g S e h o l , U n ive rs i t y o f cS i e n e e an d T e e hn o log y eB ij i眼 , B e ij ing 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T T h e p r i n e i p l e f o r e h o s i n g p or p e r i n t e r l a y e r m a t e r i a l s ot b o n d d i s s im i l a r m e t a l s w a s d i s - e u s e d . A n a P P r o P r i a t e i n t e r l a y e r w a s d e s ig n e d a n d b o n d i n g e x p e r im e n t w a s e a r r i e d o u t t o j o i n s t a i n l e s s s t e e l p a n e l w i t h al u m i n u m a ll o y ho n e y com b co r e . T h e fun e t i o n o f i n t e r l a y e r w a s ivn e s t i g a t e d b y an a l y z i n g t h e i n t e rf a e e m i e or s t r u e t u r e a n d e x a m i n i n g t h e j o i n t s t r e n g t h s , T h e e f e e t o f p ro e e s s i n g P a r a m e t e r s o n t h e i n t e r f a e e m i e ro s t r u e t u r e a n d li q u id d if f u s i o n b on d i n g w a s a lso d i s e u s s e d . T h e r e s u l t s s h o w t h a t g o d w e t t i n g a n d s P r e a d i n g P ro P e r t i e s i n t h e in t e r l a y e r w e r e a t t a i n e d 50 t h a t fi rm m e t al l u r g i e a l b o n d i n g b e t w e e n s t a i n l e s s s t e e l a n d a l u m i n u m w as o b t a i n e d . K E Y WO R D S e o m p o s i t e m a t e r i a l s ; i n t e r l a y e r ; li q u i d d i ff u s i o n b o n d i n g ; i n t e r f a e e ; m e t a ll u r g i e a l b o n d i呢