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