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