Al2O3顆粒增強(qiáng)Sn-9Zn復(fù)合釬料低溫潤濕鋁合金界面行為及釬焊機(jī)制.pdf

1、釬焊作為一種古老的焊接方式被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的 Sn-Pb合金釬料由于 Pb的毒性和各國禁 Pb法令的出臺使其使用受到限制。Sn-Zn系無鉛釬料由于熔點(diǎn)和成本低、力學(xué)性能好有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)釬料。然而，Zn在高溫環(huán)境下易氧化而且潤濕性能也較差的特性制約其應(yīng)用。本研究以Sn-9Zn釬料為例，通過感應(yīng)熔煉結(jié)合鋼膜澆注的方案，制備利用不同組分的Al2O3納米顆粒以及微米納米雙尺寸Al2O3顆粒增強(qiáng)的Sn-9Zn復(fù)合釬料，系統(tǒng)地研究了復(fù)合釬料中的Al2

2、O3顆粒對釬料本身的性質(zhì)、釬料對6061鋁合金的低溫潤濕性及釬焊性的影響規(guī)律和作用機(jī)理。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明：通過向Sn-9Zn基體釬料中添加增強(qiáng)相Al2O3顆粒所得的復(fù)合釬料，其熔點(diǎn)和熔程均小幅度下降。Sn-9Zn-1Al2O3(nm)-0.75 Al2O3(μm)復(fù)合釬料的熔點(diǎn)比原Sn-9Zn釬料的熔點(diǎn)降低1.5℃。復(fù)合釬料顯微組織中分布在β-Sn基體上的 Sn-Zn共晶組織的長度變短，分布更均勻。通過加入微納雙尺寸Al2O3顆

3、粒，復(fù)合釬料顯微組織中的針狀Sn-Zn共晶變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的圓斑狀。其中Sn-9Zn-1Al2O3(nm)-0.75Al2O3(μm)復(fù)合釬料顯微組織中Sn-Zn共晶尺寸最為細(xì)小且分布間距較大、數(shù)量較少。同時(shí)，Al2O3納米顆粒的加入使得復(fù)合釬料的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度均增加，伸長率有所降低。通過加入微納雙尺寸Al2O3顆粒，復(fù)合釬料的硬度和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。相比于原 Sn-9Zn釬料，Sn-9Zn-1Al2O3(nm)-0.

4、75 Al2O3(μm)復(fù)合釬料的顯微硬度增加21.6％，抗拉強(qiáng)度增加18.6%。其原因?yàn)槿廴脞F料內(nèi)部的Al2O3顆粒對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用以及對Sn-Zn共晶組織增長的抑制作用。
　　向Sn-9Zn基體釬料中添加不同成分Al2O3顆粒所制備的復(fù)合釬料均對6061鋁合金有著較好的潤濕性。Sn-9Zn-1Al2O3(nm)-0.75Al2O3(μm)雙尺寸顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料在6061鋁合金上的鋪展面積最大為113.2mm2，比原Sn-9

5、Zn釬料對6061鋁合金的潤濕面積提高了182%，其原因?yàn)槿廴牖w釬料的Al2O3納米顆?；螂p尺寸 Al2O3顆粒時(shí)對復(fù)合釬料對鋁合金的潤濕界面Al8ZnSn4固溶體層增長的抑制作用以及對其形貌的改善作用。對Al2O3納米顆粒增強(qiáng)Sn-9Zn的復(fù)合釬料潤濕6061鋁合金的鋪展動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析可知，通過增強(qiáng)相Al2O3顆?？梢钥s短潤濕鋪展過程的時(shí)間，主要體現(xiàn)在快速控制階段和反應(yīng)控制階段方面。Sn-9Zn-1Al2O3(nm)復(fù)合釬料潤濕過程

6、中快速控制階段所需時(shí)間縮短0.4s左右，反應(yīng)控制階段的時(shí)間縮短2.8s左右。此外， Al2O3納米顆粒使得復(fù)合釬料潤擴(kuò)散控制階段處θ（N）減小，宏觀表現(xiàn)為增加復(fù)合釬料在6061鋁合金上的鋪展面積。
　　向Sn-9Zn基體釬料中加入Al2O3顆粒所制備的復(fù)合釬料所對應(yīng)釬縫顯微組織呈現(xiàn)出先細(xì)化后粗化的趨勢，對應(yīng)界面微觀形貌中 Al8ZnSn4固溶體層由扇貝狀變?yōu)槠街睜睿浜穸纫喑尸F(xiàn)出先變細(xì)后變粗的趨勢。向 Sn-9Zn基體釬料中加入

7、Al2O3顆粒所制備的復(fù)合釬料對應(yīng)釬縫中的釬料組織和界面 Al8ZnSn4固溶體層的顯微硬度均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。其中Sn-9Zn-1Al2O3(nm)-0.75Al2O3(μm)復(fù)合釬料的釬焊接頭組織及界面的硬度分別為29Hv0.3和40.3Hv0.3，比原Sn-9Zn復(fù)合釬料分別相應(yīng)提高了25.5%及17.3%。其原因?yàn)槿廴脞F料內(nèi)部的Al2O3顆粒對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用以及對釬料組織的細(xì)化作用。復(fù)合釬料對應(yīng)釬焊接頭的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)