低熔點鋁硅基釬料的成分設(shè)計、性能優(yōu)化與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，鋁合金憑借其密度小、比強度高、耐腐蝕性能良好以及加工性能優(yōu)異等一系列突出優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子設(shè)備以及建筑等眾多關(guān)鍵行業(yè)。例如在航空航天領(lǐng)域，為了減輕飛行器重量以提高飛行性能和燃油效率，鋁合金被大量用于制造飛機的機身、機翼等結(jié)構(gòu)部件；在汽車制造中，使用鋁合金能夠有效降低車身重量，提升燃油經(jīng)濟性并減少尾氣排放。隨著科技的飛速發(fā)展和工業(yè)需求的不斷提升，對鋁合金部件的連接質(zhì)量和性能提出了更高的要求。釬焊作為一種重要的連接技術(shù)，在鋁合金連接中具有獨特的優(yōu)勢。相較于其他焊接方法，釬焊能夠在較低溫度下實現(xiàn)連接，這使得焊件的變形量顯著減小，尺寸精度得以有效保證，特別適用于對尺寸精度要求嚴(yán)苛的鋁合金結(jié)構(gòu)件的連接。例如在制造航空發(fā)動機的熱交換器時，釬焊能夠確保各個部件的精確連接，保證熱交換器的高效運行。然而，鋁合金的釬焊過程面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，鋁合金表面極易形成一層致密且穩(wěn)定的氧化膜，這層氧化膜的熔點高達(dá)2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金本身的熔點（一般在550-650℃之間），且化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，使得釬料難以在鋁合金表面良好地潤濕和鋪展，嚴(yán)重阻礙了釬焊過程的順利進(jìn)行。其次，常用的鋁合金釬料與母材的熔點較為接近，這使得釬焊溫度的控制難度大幅增加。若釬焊溫度過高，不僅會導(dǎo)致母材晶粒長大、力學(xué)性能下降，甚至可能引發(fā)母材過燒，降低接頭的質(zhì)量和可靠性；若釬焊溫度過低，釬料則無法充分熔化和流動，無法實現(xiàn)良好的連接。例如在對6063鋁合金進(jìn)行釬焊時，常規(guī)釬料的熔點與6063鋁合金的固相線溫度較為接近，稍有不慎就會出現(xiàn)上述問題。此外，釬焊接頭的強度和耐腐蝕性也受到釬料成分和性能的顯著影響，如何在保證釬焊溫度適宜的同時，提高接頭的強度和耐腐蝕性，是鋁合金釬焊領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。低熔點鋁硅基釬料在解決鋁合金釬焊難題方面具有重要意義。這類釬料通常以鋁硅合金為基礎(chǔ)，通過添加特定的合金元素，如Cu、Ni、Mg以及稀土元素等，能夠有效降低釬料的熔點，拓寬釬焊溫度窗口，從而在一定程度上解決釬焊溫度難以控制的問題。例如，在Al-Si基釬料中添加適量的Cu元素，可以顯著降低釬料的熔點，同時Cu元素還能與Al形成金屬間化合物，提高釬焊接頭的強度。同時，通過合理調(diào)整合金元素的種類和含量，可以改善釬料的潤濕性、流動性以及接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。如添加稀土元素能夠細(xì)化釬料的晶粒，減少雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，從而提高接頭的綜合性能。研發(fā)低熔點鋁硅基釬料，對于推動鋁合金在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能、降低生產(chǎn)成本具有重要的現(xiàn)實意義，也為解決鋁合金釬焊這一關(guān)鍵技術(shù)難題提供了新的思路和方法。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀低熔點鋁硅基釬料的研究在國內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者和研究機構(gòu)圍繞釬料成分設(shè)計、性能優(yōu)化以及應(yīng)用拓展等方面開展了大量研究工作。在成分設(shè)計方面，國外的研究起步較早且成果顯著。美國的一些研究團(tuán)隊通過對多元合金體系的深入探索，發(fā)現(xiàn)添加特定含量的Ge元素能夠顯著降低鋁硅基釬料的熔點。例如，在Al-Si-Cu釬料中加入適量的Ge，形成了新的低熔點共晶組織，使得釬料的熔化區(qū)間明顯下移。日本的科研人員則專注于稀土元素在鋁硅基釬料中的作用研究，發(fā)現(xiàn)添加微量的Y、La等稀土元素，不僅可以細(xì)化釬料的晶粒，還能改善釬料的潤濕性和抗氧化性能。他們通過實驗分析得出，稀土元素能夠降低釬料與母材之間的界面能，促進(jìn)釬料在母材表面的鋪展，從而提高釬焊接頭的質(zhì)量。國內(nèi)在低熔點鋁硅基釬料成分設(shè)計方面也取得了豐碩的成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊通過正交試驗設(shè)計，系統(tǒng)研究了Cu、Ni、Si及稀土元素對Al-Si基合金熔化溫度的影響規(guī)律。通過極差分析方法，明確了各元素含量對釬料液相線溫度影響的主次順序為Cu、Ni、Si、RE，為釬料成分的優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。上海交通大學(xué)的學(xué)者們則創(chuàng)新性地提出在Al-Si基釬料中添加微量的Ga元素，實驗結(jié)果表明，Ga元素的加入能夠有效降低釬料的表面張力，提高釬料的流動性，進(jìn)而改善釬焊接頭的致密性和強度。在性能優(yōu)化研究方面，國外主要聚焦于提高釬焊接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。德國的研究人員通過對釬焊工藝參數(shù)的精確控制，結(jié)合先進(jìn)的微觀組織分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)延長保溫時間和控制冷卻速度，可以促進(jìn)釬縫中金屬間化合物的均勻分布，從而提高接頭的強度和韌性。韓國的科研團(tuán)隊則致力于研究釬料中合金元素對耐腐蝕性能的影響機制，通過電化學(xué)測試和微觀結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)添加Mg元素能夠在釬縫表面形成一層致密的氧化膜，有效阻擋腐蝕介質(zhì)的侵入，顯著提高釬焊接頭的耐腐蝕性能。國內(nèi)在性能優(yōu)化方面也進(jìn)行了深入研究。西北工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊通過對釬焊過程中溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬，揭示了釬焊溫度、保溫時間等工藝參數(shù)對接頭殘余應(yīng)力和變形的影響規(guī)律，并據(jù)此提出了優(yōu)化工藝參數(shù)的方法，有效提高了釬焊接頭的尺寸精度和力學(xué)性能。北京航空航天大學(xué)的學(xué)者們則通過表面改性技術(shù)，在釬料表面制備了一層納米復(fù)合涂層，該涂層不僅能夠提高釬料的抗氧化性能，還能改善釬料與母材之間的潤濕性，從而提高釬焊接頭的綜合性能。在應(yīng)用方面，國外已經(jīng)將低熔點鋁硅基釬料廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域。例如，在航空發(fā)動機的熱端部件制造中，采用低熔點鋁硅基釬料進(jìn)行釬焊，能夠有效降低焊接過程中的熱應(yīng)力，保證部件的尺寸精度和高溫性能。在汽車散熱器的制造中，使用低熔點鋁硅基釬料進(jìn)行釬焊，不僅提高了散熱器的散熱效率，還增強了其耐腐蝕性能，延長了使用壽命。國內(nèi)低熔點鋁硅基釬料的應(yīng)用也在不斷拓展。在新能源汽車電池冷卻系統(tǒng)的制造中，低熔點鋁硅基釬料憑借其良好的釬焊性能和耐腐蝕性，得到了廣泛應(yīng)用，有效提高了電池冷卻系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在電子設(shè)備的散熱模塊制造中，低熔點鋁硅基釬料能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的釬焊連接，滿足了電子設(shè)備對散熱性能和小型化的要求。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探究低熔點鋁硅基釬料的性能與應(yīng)用，主要圍繞以下幾個方面展開：低熔點鋁硅基釬料成分設(shè)計：基于鋁合金釬焊的難點，以鋁硅合金為基礎(chǔ)，運用合金化原理，有針對性地選擇Cu、Ni、Mg、Ge、稀土元素等作為添加元素。通過正交試驗設(shè)計方法，系統(tǒng)地研究不同元素及其含量組合對釬料熔點、熔化區(qū)間、潤濕性、流動性以及接頭強度等性能的影響規(guī)律。例如，設(shè)定Cu含量在一定范圍內(nèi)梯度變化，同時固定其他元素含量，觀察釬料熔點和接頭強度的變化情況，從而篩選出能夠有效降低釬料熔點、改善釬焊性能的最佳成分組合。釬料性能測試與分析：對設(shè)計并制備的低熔點鋁硅基釬料進(jìn)行全面的性能測試。使用差示掃描量熱儀（DSC）精確測定釬料的熔點和熔化區(qū)間，獲取釬料的熱物理性能參數(shù)；通過鋪展試驗，依據(jù)GB11364-89標(biāo)準(zhǔn)，測量釬料在母材表面的鋪展面積和鋪展角，以此評估釬料的潤濕性和流動性；按照GB11363-89標(biāo)準(zhǔn)，采用萬能材料試驗機測定釬焊接頭的剪切強度，結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）技術(shù)，觀察接頭的微觀組織形貌，分析元素分布和界面反應(yīng)情況，深入探究釬料成分、微觀組織與接頭性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。釬焊工藝優(yōu)化與應(yīng)用驗證：以6063鋁合金等常用鋁合金為母材，采用火焰釬焊、爐中釬焊、感應(yīng)釬焊等不同的釬焊方法，研究釬焊溫度、保溫時間、加熱速度等工藝參數(shù)對釬焊接頭質(zhì)量的影響。通過對比不同工藝參數(shù)下釬焊接頭的外觀質(zhì)量、內(nèi)部缺陷、力學(xué)性能和耐腐蝕性能，優(yōu)化釬焊工藝參數(shù)，確定最佳的釬焊工藝規(guī)范。將研發(fā)的低熔點鋁硅基釬料和優(yōu)化后的釬焊工藝應(yīng)用于實際產(chǎn)品的制造，如汽車散熱器、電子設(shè)備散熱模塊等，驗證釬料和工藝的可靠性和實用性，評估其在實際應(yīng)用中的效果和優(yōu)勢。在研究過程中，綜合運用實驗研究和理論分析相結(jié)合的方法。在實驗方面，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行實驗操作，確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過大量的實驗，獲取不同成分釬料的性能數(shù)據(jù)，為理論分析提供堅實的基礎(chǔ)。在理論分析方面，運用材料科學(xué)基礎(chǔ)理論，如合金相圖、擴散理論、界面反應(yīng)理論等，對實驗結(jié)果進(jìn)行深入分析和解釋。借助熱力學(xué)和動力學(xué)計算軟件，模擬釬料在熔化、凝固以及釬焊過程中的微觀組織演變和元素擴散行為，從理論層面揭示釬料成分、工藝參數(shù)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系，為釬料的成分設(shè)計和工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。二、低熔點鋁硅基釬料的成分設(shè)計2.1基礎(chǔ)成分與合金元素添加原理鋁硅基釬料以鋁（Al）和硅（Si）為主要基礎(chǔ)成分，其中硅元素在鋁硅基釬料中具有關(guān)鍵作用。從合金相圖角度來看，硅在鋁中的溶解度較小，當(dāng)硅含量達(dá)到一定程度時，會與鋁形成共晶組織。在共晶點附近，Al-Si合金具有良好的鑄造性能和釬焊性能。Al-Si共晶合金的熔點相對較低，約為577℃，這使得其在釬焊過程中能夠在相對適宜的溫度下熔化，實現(xiàn)對鋁合金母材的連接。例如，在傳統(tǒng)的鋁合金散熱器釬焊中，Al-Si共晶釬料能夠在合適的溫度下填充接頭間隙，形成良好的連接，且具有較好的抗腐蝕性，能滿足散熱器在工作環(huán)境中的使用要求。然而，為了進(jìn)一步降低釬料的熔點、改善其綜合性能，需要添加特定的合金元素。合金元素添加的原理主要基于以下幾個方面：一是利用合金元素與鋁、硅之間形成低熔點共晶的特性，從而降低釬料的熔點。如銅（Cu）元素，它與鋁能夠形成多種金屬間化合物，并且Cu-Al系存在多個低熔點共晶點。當(dāng)在Al-Si基釬料中添加適量的Cu時，會形成Al-Si-Cu三元共晶組織，其熔點低于Al-Si二元共晶的熔點。研究表明，在Al-Si基釬料中加入4.0-5.0wt%的Cu，可使釬料的熔點顯著降低，同時提高釬料的流動性和強度。但如果Cu元素添加量過多（超過5wt%），會在釬縫與母材界面處形成過厚的銅鋁金屬間脆性化合物層，對接頭強度產(chǎn)生負(fù)面影響。二是通過合金元素對釬料微觀組織的影響來改善性能。以鎳（Ni）元素為例，Ni在鋁硅基釬料中能細(xì)化晶粒，使釬料的微觀組織更加均勻致密。在釬焊過程中，細(xì)化的晶粒有助于提高釬料的流動性和潤濕性，從而改善釬焊接頭的質(zhì)量。同時，Ni還能與其他元素形成金屬間化合物，增強釬焊接頭的強度和耐熱性。例如，在一些對高溫性能要求較高的鋁合金釬焊應(yīng)用中，添加適量的Ni元素能夠有效提高接頭在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。三是利用合金元素的特殊化學(xué)性質(zhì)來解決鋁合金釬焊中的難題。鎂（Mg）元素就是典型代表，Mg能與鋁氧化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞鋁合金表面致密的氧化膜，為釬料在母材表面的潤濕和鋪展創(chuàng)造條件。同時，鎂蒸汽能夠降低熔態(tài)釬料-鎂蒸汽間的界面張力，進(jìn)一步提高熔化的釬料對母材的潤濕性。此外，Mg還能與Al-Si形成低熔點的Al-Si-Mg合金，降低釬料的熔點。但Mg元素的添加量需要嚴(yán)格控制，當(dāng)加入量少于1wt%時，釬料中Mg元素在釬焊過程中主要與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，且在620℃以下MgO比Al?O?穩(wěn)定，不利于釬焊過程；而當(dāng)Mg元素含量超過2.5wt%時，難以加入到釬料合金中，損失率較高。四是添加稀土元素（RE）來優(yōu)化釬料性能。稀土元素如釔（Y）、鑭（La）等在鋁硅基釬料中具有脫氧、脫硫的作用，能夠凈化釬料的熔體。同時，稀土元素可以細(xì)化釬料的晶粒，減少單位晶界面積上雜質(zhì)元素的偏聚，促進(jìn)過剩相晶粒變薄，并改變其網(wǎng)狀分布。這一系列作用使得釬料的綜合性能得到顯著提升，包括提高釬料的潤濕性、增強釬焊接頭的強度和耐腐蝕性等。例如，在一些對釬焊接頭質(zhì)量要求極高的航空航天領(lǐng)域，添加稀土元素的鋁硅基釬料能夠有效提高接頭的可靠性和使用壽命。2.2常見添加元素及其作用2.2.1Cu元素Cu元素在低熔點鋁硅基釬料中具有重要作用。從降低熔點的角度來看，Cu與Al之間存在多個低熔點共晶點，當(dāng)在Al-Si基釬料中加入適量的Cu時，會形成Al-Si-Cu三元共晶組織，其熔點低于Al-Si二元共晶的熔點。研究表明，在Al-Si基釬料中添加4.0-5.0wt%的Cu，可使釬料的熔點顯著降低。例如，某研究在Al-12Si釬料中加入4.5wt%的Cu，通過差示掃描量熱儀（DSC）測試發(fā)現(xiàn)，釬料的熔點從原來的577℃降低至530℃左右，這使得釬焊過程能夠在更低的溫度下進(jìn)行，有效避免了因釬焊溫度過高對母材性能的不良影響。在提高強度方面，Cu可以與Al形成固溶體，使合金得到固溶強化，從而提高焊縫的強度。同時，隨著Cu含量的增加，Cu與Al之間形成的金屬間化合物相的含量也會增加，釬料硬度隨之增加。在Al-Si-Cu釬料中，當(dāng)Cu含量從1wt%增加到3wt%時，通過硬度測試發(fā)現(xiàn)釬料的硬度從HV50提升至HV70左右，接頭的抗拉強度也相應(yīng)提高。然而，Cu元素的含量對釬料性能存在一定的影響范圍。當(dāng)加入過量的Cu元素（超過5wt%）時，釬料合金會產(chǎn)生銅鋁金屬間脆性化合物，在焊接過程中釬縫與母材界面處在高溫下也易生成脆性金屬間化合物，這會對接頭強度帶來負(fù)面影響。如在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu含量過高時，釬焊接頭在拉伸試驗中容易在脆性化合物層處發(fā)生斷裂，導(dǎo)致接頭強度大幅下降。相反，如果加入Cu元素太少（低于4wt%），則不能充分起到降低熔點和提高強度的作用。Cu元素還能提高釬料的流動性。這是因為Cu的加入改變了釬料的表面張力和黏度，使得釬料在熔化后能夠更順暢地在母材表面流動和鋪展。在對Al-Si-Cu釬料進(jìn)行鋪展試驗時發(fā)現(xiàn)，相較于不含Cu的Al-Si釬料，添加適量Cu的釬料在相同條件下的鋪展面積更大，鋪展角更小，表明其流動性得到了顯著改善。但釬料的鋪展面積還受Cu飽和程度的影響，當(dāng)Cu含量低于其在Al中的溶解度時，隨Cu含量增加，鋪展面積增大；反之，鋪展面積減小。2.2.2Mg元素Mg元素在低熔點鋁硅基釬料中具有多方面的重要作用。首先，Mg能與Al-Si形成低熔點的Al-Si-Mg合金，從而降低釬料的熔點。相關(guān)研究表明，在Al-Si基釬料中加入適量的Mg，可使釬料的熔點進(jìn)一步降低。例如，在Al-11Si釬料中添加1.5wt%的Mg，通過熱分析測試發(fā)現(xiàn)，釬料的熔點從577℃降低至550℃左右，這為實現(xiàn)更低溫度下的釬焊提供了可能。Mg元素能夠與鋁氧化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞鋁合金表面致密的氧化膜，為釬料在母材表面的潤濕和鋪展創(chuàng)造條件。同時，鎂蒸汽能夠降低熔態(tài)釬料-鎂蒸汽間的界面張力，使得熔化的釬料能更好地潤濕母材。在對含有Mg的Al-Si-Mg釬料進(jìn)行釬焊試驗時發(fā)現(xiàn)，釬料在鋁合金母材表面的潤濕性明顯優(yōu)于不含Mg的釬料，能夠形成更緊密的連接。此外，Mg還能提高釬焊接頭的耐腐蝕性。這是因為Mg在釬焊過程中會在釬縫表面形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)的侵入，從而提高接頭的耐腐蝕性能。在鹽霧腐蝕試驗中，含有Mg的釬焊接頭的耐腐蝕時間明顯長于不含Mg的接頭。Mg元素的含量對釬料的鋪展性存在影響。當(dāng)加入的Mg元素少于1wt%時，釬料中Mg元素在釬焊過程中主要與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，且在620℃以下MgO比Al?O?穩(wěn)定，不利于釬焊過程，導(dǎo)致釬料的鋪展性較差。而當(dāng)Mg元素含量超過2.5wt%時，難以加入到釬料合金中，損失率較高。因此，在實際應(yīng)用中，需要嚴(yán)格控制Mg元素的含量，以確保釬料具有良好的綜合性能。2.2.3Ni元素Ni元素在低熔點鋁硅基釬料中主要有降低液相線溫度和細(xì)化晶粒的作用。在降低液相線溫度方面，Ni的加入能夠改變釬料的合金體系，形成新的低熔點相或共晶組織，從而降低釬料的液相線溫度。有研究表明，在Al-Si基釬料中添加適量的Ni，可使釬料的液相線溫度有所降低。例如，在Al-12Si釬料中加入1.0wt%的Ni，通過差示掃描量熱儀（DSC）測試發(fā)現(xiàn)，釬料的液相線溫度從原來的577℃降低至565℃左右，這使得釬焊過程能夠在更合適的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，減少了因溫度過高對母材性能的影響。Ni元素能夠細(xì)化釬料的晶粒。在釬焊過程中，Ni原子會在晶界處偏聚，阻礙晶粒的生長，從而使釬料的晶粒得到細(xì)化。細(xì)化的晶粒有助于提高釬料的流動性和潤濕性，因為較小的晶粒尺寸增加了晶界的數(shù)量，使得原子擴散更容易進(jìn)行，從而改善了釬料在母材表面的鋪展能力。同時，細(xì)化的晶粒還能提高釬焊接頭的強度和韌性。在對添加Ni的Al-Si-Ni釬料進(jìn)行微觀組織觀察和力學(xué)性能測試時發(fā)現(xiàn)，與未添加Ni的釬料相比，添加Ni的釬料晶粒明顯細(xì)化，接頭的抗拉強度和沖擊韌性都有顯著提高。例如，在拉伸試驗中，添加Ni的釬焊接頭的抗拉強度從原來的150MPa提高至180MPa左右，在沖擊試驗中，沖擊韌性也從原來的10J/cm2提高至15J/cm2左右。2.2.4稀土元素稀土元素在低熔點鋁硅基釬料中具有多方面的積極作用。首先，稀土元素能夠細(xì)化晶粒。稀土元素原子半徑較大，在釬料凝固過程中，它們會在晶界處偏聚，阻礙晶粒的生長，從而使釬料的晶粒得到細(xì)化。細(xì)化的晶粒使得單位晶界面積上雜質(zhì)元素的偏聚減少，提高了釬料的性能均勻性。例如，在Al-Si基釬料中添加微量的稀土元素Y，通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，釬料的晶粒尺寸明顯減小，從原來的平均晶粒尺寸50μm減小至20μm左右。稀土元素可以改善釬料的組織。它們能夠促進(jìn)過剩相晶粒變薄，并改變其網(wǎng)狀分布。在Al-Si基釬料中，稀土元素的加入可以使共晶硅相的形態(tài)得到改善，從原來的粗大針狀或片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的纖維狀或顆粒狀，這有助于提高釬料的韌性和塑性。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察添加稀土元素La的Al-Si釬料的微觀組織發(fā)現(xiàn)，共晶硅相變得更加細(xì)小且均勻分布，釬料的韌性得到了顯著提升。稀土元素的加入還能提高釬料的性能。在潤濕性方面，稀土元素能夠降低釬料與母材之間的界面能，促進(jìn)釬料在母材表面的鋪展，從而提高釬料的潤濕性。在對添加稀土元素Ce的Al-Si釬料進(jìn)行鋪展試驗時發(fā)現(xiàn)，釬料在鋁合金母材表面的鋪展面積明顯增大，鋪展角減小，表明潤濕性得到了顯著改善。在提高接頭強度和耐腐蝕性方面，細(xì)化的晶粒和改善的組織使得釬焊接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能都得到了提高。在拉伸試驗中，添加稀土元素的釬焊接頭的抗拉強度比未添加的提高了10-20MPa；在鹽霧腐蝕試驗中，添加稀土元素的釬焊接頭的耐腐蝕時間延長了50%以上。2.3成分設(shè)計實例與實驗方案為了深入研究低熔點鋁硅基釬料的成分對其性能的影響，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)的相關(guān)研究為實例，詳細(xì)闡述其成分設(shè)計及實驗方案。該研究以Cu、Si、Ni及稀土元素（RE）作為添加元素，設(shè)計了4因子5水平的正交實驗。正交試驗設(shè)計是一種高效、系統(tǒng)的試驗設(shè)計方法，通過合理安排試驗因素與水平，利用正交表的正交性、均衡分散性和整齊可比性，從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗，能夠在大幅減少試驗次數(shù)、降低成本的同時，提高試驗的精度和效率。在該研究中，選用正交表L25（5^4）來安排試驗，此正交表能夠全面且系統(tǒng)地考察各因素對試驗結(jié)果的影響。根據(jù)正交表的安排，熔煉了25組成分不同的試樣。具體的因素水平設(shè)置如下表所示：因素Cu含量（wt%）Si含量（wt%）Ni含量（wt%）RE含量（wt%）水平11.58.50.50.15水平22.09.01.00.30水平32.59.51.50.45水平43.010.02.00.60水平53.510.52.50.75在實驗過程中，嚴(yán)格控制原材料的純度和質(zhì)量，采用先進(jìn)的熔煉設(shè)備和工藝，確保試樣成分的準(zhǔn)確性和均勻性。例如，在熔煉過程中，使用高純度的純鋁、純硅、純銅、純鎳以及稀土合金作為原料，按照預(yù)設(shè)的成分比例進(jìn)行精確稱量。將這些原料置于真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，通過精確控制熔煉溫度、時間和攪拌速度，使各種元素充分熔合，保證合金成分的均勻性。熔煉完成后，將得到的合金液澆鑄到特定的模具中，制成所需尺寸的試樣。應(yīng)用熱分析儀測定25組釬料的相變溫度，通過精確測量釬料在加熱和冷卻過程中的熱效應(yīng)變化，獲取釬料的熔點、熔化區(qū)間等關(guān)鍵熱物理性能參數(shù)。以極差分析方法研究合金元素對Al-Si基合金熔化溫度的影響。極差分析能夠直觀地反映出各因素不同水平對試驗指標(biāo)影響的大小，從而確定各元素含量對釬料液相線溫度影響的主次順序。通過這種方法，明確了各元素含量對釬料液相線溫度影響的主次順序為Cu、Ni、Si、RE。為了進(jìn)一步研究Mg元素對具體釬料熔點的影響，在上述研究的基礎(chǔ)上，選取了部分具有代表性的釬料成分，加入一定量的Mg元素進(jìn)行試驗。例如，在某一特定成分的Al-Si-Cu-Ni-RE釬料中，分別加入0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%、2.0wt%、2.5wt%的Mg元素，觀察其對釬料熔點的影響。同樣采用熱分析儀測定添加Mg元素后釬料的相變溫度，分析Mg元素含量與釬料熔點之間的關(guān)系。通過研究Cu、Si、Ni、Mg和稀土元素對Al-Si釬料熔點的影響，從眾多試驗結(jié)果中選取了9種熔點低于535℃，熔化溫度區(qū)間比較窄的釬料作進(jìn)一步工藝性能試驗。以6063鋁合金為母材，對GB11364-89標(biāo)準(zhǔn)篩選出的4種釬料進(jìn)行鋪展性試驗，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗方法和條件，測量釬料在母材表面的鋪展面積和鋪展角，以此評估釬料的潤濕性和流動性。按GB11363-89標(biāo)準(zhǔn)測定釬焊接頭剪切強度，采用萬能材料試驗機對釬焊接頭進(jìn)行拉伸試驗，測量接頭在剪切力作用下的破壞載荷，從而確定接頭的剪切強度。將這些試驗結(jié)果與常規(guī)釬料HL401進(jìn)行對比，綜合評估各種釬料的性能，最終確定了熔點低、釬焊性能好、接頭強度高的低熔點鋁合金釬料成分配方。三、低熔點鋁硅基釬料的性能研究3.1熔化特性熔化特性是低熔點鋁硅基釬料的關(guān)鍵性能之一，直接影響著釬焊過程的順利進(jìn)行以及釬焊接頭的質(zhì)量。為了精確測定釬料的熔化特性，通常使用熱分析儀，如差示掃描量熱儀（DSC）來測定釬料的相變溫度。在使用DSC進(jìn)行測試時，將適量的釬料樣品放入特制的坩堝中，以一定的加熱速率（如10℃/min）從室溫加熱至高于釬料熔點的溫度范圍。在加熱過程中，DSC會實時測量樣品與參比物之間的熱流差，當(dāng)釬料發(fā)生相變（如熔化）時，會吸收或釋放熱量，從而在DSC曲線上形成明顯的吸熱或放熱峰。通過對DSC曲線的分析，可以準(zhǔn)確確定釬料的固相線溫度（Ts）、液相線溫度（Tl）以及熔化區(qū)間（ΔT=Tl-Ts）。合金元素對低熔點鋁硅基釬料的熔化溫度和熔化區(qū)間有著顯著的影響。如前文所述，Cu元素與Al能夠形成多個低熔點共晶點，在Al-Si基釬料中添加適量的Cu，會形成Al-Si-Cu三元共晶組織，其熔點低于Al-Si二元共晶的熔點。研究表明，在Al-12Si釬料中加入4.5wt%的Cu，釬料的熔點從原來的577℃降低至530℃左右，熔化區(qū)間也相應(yīng)變窄。這是因為Cu的加入改變了釬料的合金體系，形成了新的低熔點共晶相，使得釬料在較低溫度下就能夠開始熔化，且熔化過程更加集中。Mg元素能與Al-Si形成低熔點的Al-Si-Mg合金，從而降低釬料的熔點。在Al-11Si釬料中添加1.5wt%的Mg，釬料的熔點從577℃降低至550℃左右。這是由于Mg的原子半徑與Al和Si不同，加入后會引起晶格畸變，降低原子間的結(jié)合力，從而降低了釬料的熔點。同時，Mg元素的加入對熔化區(qū)間也有一定的影響，適量的Mg可以使熔化區(qū)間略微變窄，使釬料的熔化過程更加穩(wěn)定。Ni元素的加入能夠降低液相線溫度，在Al-12Si釬料中加入1.0wt%的Ni，釬料的液相線溫度從原來的577℃降低至565℃左右。Ni主要是通過與Al、Si形成新的化合物或固溶體，改變了合金的晶體結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，從而降低了液相線溫度。此外，Ni元素還能細(xì)化釬料的晶粒，而細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)也有助于調(diào)整釬料的熔化特性，使熔化區(qū)間有所改變，一般會使熔化區(qū)間變窄，提高釬料熔化的均勻性。稀土元素的加入對低熔點鋁硅基釬料的熔化特性也有影響。雖然稀土元素對釬料熔點的降低幅度相對較小，但它們能夠改善釬料的組織和性能，間接影響熔化特性。如稀土元素能夠細(xì)化晶粒，使釬料的組織結(jié)構(gòu)更加均勻，這有助于在熔化過程中熱量的均勻傳遞，使熔化過程更加平穩(wěn)。在Al-Si基釬料中添加微量的稀土元素Y，發(fā)現(xiàn)釬料在熔化過程中的熱穩(wěn)定性得到提高，熔化區(qū)間的波動減小。這是因為細(xì)化的晶粒減少了晶界缺陷和雜質(zhì)的聚集，使得釬料在熔化時的熱行為更加一致。3.2潤濕性與鋪展性釬料的潤濕性和鋪展性是衡量其在母材表面附著和流動能力的重要指標(biāo)，對釬焊接頭的質(zhì)量和性能有著關(guān)鍵影響。在實際研究中，通常采用鋪展性試驗來評估釬料的潤濕性和鋪展性，依據(jù)GB11364-89標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。在進(jìn)行鋪展性試驗時，首先要制備合適的試件。試件為板狀，其尺寸和試驗時釬料、釬劑的放置需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。以6063鋁合金為母材時，將釬料放置在經(jīng)過打磨和清洗處理的母材表面，確保母材表面光潔、平整，無油污及氧化物等雜質(zhì)。然后將放置好釬料的試件加熱至釬焊溫度，在一定的保溫時間內(nèi)，觀察釬料在母材表面的鋪展情況。通過測量釬料在母材表面的鋪展面積和鋪展角，可以定量地評估釬料的潤濕性和鋪展性。鋪展面積越大、鋪展角越小，表明釬料的潤濕性和鋪展性越好。釬料成分對潤濕性和鋪展性有顯著影響。稀土元素的加入能夠提高釬料的潤濕性。這是因為稀土元素能夠降低釬料與母材之間的界面能，使釬料更容易在母材表面鋪展。在Al-Si基釬料中添加微量的稀土元素Ce，通過鋪展試驗發(fā)現(xiàn)，釬料在6063鋁合金母材表面的鋪展面積明顯增大，鋪展角減小，表明潤濕性得到了顯著改善。這是由于稀土元素Ce能夠與釬料中的雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，凈化釬料熔體，同時改變釬料與母材界面的原子排列，降低界面能，從而促進(jìn)釬料的鋪展。Cu元素對釬料的鋪展性也有影響。當(dāng)Cu含量低于其在Al中的溶解度時，隨Cu含量增加，鋪展面積增大；反之，鋪展面積減小。這是因為在Cu含量較低時，Cu的加入能夠降低釬料的表面張力，提高釬料的流動性，從而促進(jìn)釬料的鋪展。然而，當(dāng)Cu含量超過一定限度時，會在釬料中形成過多的金屬間化合物，增加釬料的黏度，阻礙釬料的流動和鋪展。在Al-Si-Cu釬料中，當(dāng)Cu含量從1wt%增加到3wt%時，鋪展面積逐漸增大；但當(dāng)Cu含量繼續(xù)增加到5wt%時，鋪展面積反而減小。Mg元素在一定程度上會影響釬料的鋪展性。當(dāng)加入的Mg元素少于1wt%時，釬料中Mg元素在釬焊過程中主要與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，且在620℃以下MgO比Al?O?穩(wěn)定，不利于釬焊過程，導(dǎo)致釬料的鋪展性較差。而當(dāng)Mg元素含量超過2.5wt%時，難以加入到釬料合金中，損失率較高。這是因為Mg的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在釬焊過程中容易被氧化，生成的MgO會阻礙釬料的鋪展。同時，過高的Mg含量會導(dǎo)致釬料成分不均勻，影響其性能。釬焊工藝參數(shù)同樣對潤濕性和鋪展性產(chǎn)生作用。釬焊溫度是一個關(guān)鍵參數(shù)，適當(dāng)提高釬焊溫度，能夠降低釬料的黏度，提高釬料的流動性，從而改善釬料的潤濕性和鋪展性。但如果釬焊溫度過高，會導(dǎo)致釬料過度流淌，難以控制釬料的分布，同時還可能使母材過熱，影響母材的性能。在對某低熔點鋁硅基釬料進(jìn)行釬焊試驗時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)釬焊溫度從550℃提高到580℃時，釬料的鋪展面積明顯增大，鋪展角減??；但當(dāng)釬焊溫度進(jìn)一步提高到600℃時，釬料出現(xiàn)過度流淌現(xiàn)象，接頭質(zhì)量下降。保溫時間也會影響釬料的潤濕性和鋪展性。在一定范圍內(nèi)，延長保溫時間，能夠使釬料有更充分的時間在母材表面鋪展和擴散，有利于改善潤濕性和接頭質(zhì)量。然而，過長的保溫時間會導(dǎo)致釬料與母材之間的界面反應(yīng)過度，形成過多的脆性金屬間化合物，降低接頭的性能。在對Al-Si-Cu-Ni-RE釬料進(jìn)行釬焊時，當(dāng)保溫時間從5min延長到10min時，釬料的鋪展面積增大，接頭的結(jié)合強度提高；但當(dāng)保溫時間延長到15min時，接頭中脆性金屬間化合物層增厚，接頭的剪切強度下降。3.3接頭強度接頭強度是衡量釬焊接頭質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系到焊件在實際使用過程中的可靠性和安全性。在研究低熔點鋁硅基釬料的接頭強度時，通常采用釬焊接頭剪切強度測試的方法，按照GB11363-89標(biāo)準(zhǔn)，使用萬能材料試驗機測定釬焊接頭的剪切強度。在進(jìn)行剪切強度測試時，首先要制備符合標(biāo)準(zhǔn)要求的釬焊接頭試樣。以6063鋁合金為母材，將低熔點鋁硅基釬料放置在母材的搭接部位，采用合適的釬焊方法（如火焰釬焊、爐中釬焊等）進(jìn)行焊接，確保釬焊接頭的質(zhì)量和尺寸精度符合標(biāo)準(zhǔn)。將制備好的試樣安裝在萬能材料試驗機上，以一定的加載速率施加剪切力，記錄試樣在剪切力作用下的破壞載荷，通過計算破壞載荷與釬焊接頭面積的比值，得到釬焊接頭的剪切強度。釬料成分對釬焊接頭強度有著顯著的影響。Cu元素在一定含量范圍內(nèi)能夠提高接頭強度，因為Cu可以與Al形成固溶體，使合金得到固溶強化，同時隨著Cu含量的增加，Cu與Al之間形成的金屬間化合物相的含量也會增加，釬料硬度隨之增加。在Al-Si-Cu釬料中，當(dāng)Cu含量從1wt%增加到3wt%時，接頭的抗拉強度從原來的120MPa提高至150MPa左右。然而，當(dāng)加入過量的Cu元素（超過5wt%）時，釬料合金會產(chǎn)生銅鋁金屬間脆性化合物，在焊接過程中釬縫與母材界面處在高溫下也易生成脆性金屬間化合物，這會對接頭強度帶來負(fù)面影響。如在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu含量過高時，釬焊接頭在拉伸試驗中容易在脆性化合物層處發(fā)生斷裂，導(dǎo)致接頭強度大幅下降。Ni元素能夠細(xì)化釬料的晶粒，細(xì)化的晶粒有助于提高釬焊接頭的強度。在對添加Ni的Al-Si-Ni釬料進(jìn)行微觀組織觀察和力學(xué)性能測試時發(fā)現(xiàn)，與未添加Ni的釬料相比，添加Ni的釬料晶粒明顯細(xì)化，接頭的抗拉強度從原來的150MPa提高至180MPa左右。這是因為細(xì)化的晶粒增加了晶界的數(shù)量，晶界能夠阻礙位錯的運動，從而提高了材料的強度。同時，Ni還能與其他元素形成金屬間化合物，進(jìn)一步增強釬焊接頭的強度和耐熱性。稀土元素的加入可以提高釬焊接頭的強度。稀土元素能夠細(xì)化晶粒，減少單位晶界面積上雜質(zhì)元素的偏聚，促進(jìn)過剩相晶粒變薄，并改變其網(wǎng)狀分布。這些作用使得釬焊接頭的組織結(jié)構(gòu)更加均勻和致密，從而提高了接頭的強度。在Al-Si基釬料中添加微量的稀土元素Y，接頭的抗拉強度比未添加的提高了10-20MPa。這是因為細(xì)化的晶粒和改善的組織使得釬焊接頭在受力時能夠更均勻地分布應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，從而提高了接頭的承載能力。釬焊工藝對釬焊接頭強度也有重要影響。釬焊溫度是一個關(guān)鍵因素，適當(dāng)提高釬焊溫度，能夠使釬料更好地熔化和流動，填充接頭間隙，從而提高接頭強度。但如果釬焊溫度過高，會導(dǎo)致母材晶粒長大、力學(xué)性能下降，甚至可能引發(fā)母材過燒，降低接頭的強度。在對某低熔點鋁硅基釬料進(jìn)行釬焊試驗時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)釬焊溫度從550℃提高到580℃時，接頭的剪切強度從50MPa提高至60MPa左右；但當(dāng)釬焊溫度進(jìn)一步提高到600℃時，接頭的剪切強度反而下降到50MPa以下。保溫時間也會影響釬焊接頭強度。在一定范圍內(nèi)，延長保溫時間，能夠使釬料與母材之間充分?jǐn)U散和反應(yīng)，形成良好的冶金結(jié)合，提高接頭強度。然而，過長的保溫時間會導(dǎo)致釬料與母材之間的界面反應(yīng)過度，形成過多的脆性金屬間化合物，降低接頭的強度。在對Al-Si-Cu-Ni-RE釬料進(jìn)行釬焊時，當(dāng)保溫時間從5min延長到10min時，接頭的剪切強度從55MPa提高至65MPa左右；但當(dāng)保溫時間延長到15min時，接頭的剪切強度下降到55MPa左右。3.4微觀組織分析微觀組織分析是深入了解低熔點鋁硅基釬料性能的關(guān)鍵手段，通過對釬料微觀組織的觀察和研究，可以揭示其組織結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。在研究過程中，通常使用金相顯微鏡、掃描電鏡（SEM）以及能譜分析（EDS）等技術(shù)對釬料的微觀組織進(jìn)行分析。金相顯微鏡是一種常用的微觀組織分析工具，它利用光學(xué)原理，能夠清晰地觀察到釬料的晶粒大小、形狀以及分布情況。在對低熔點鋁硅基釬料進(jìn)行金相分析時，首先需要制備金相試樣。將釬料樣品切割成合適的尺寸，然后依次進(jìn)行打磨、拋光處理，使樣品表面達(dá)到鏡面光潔度。對拋光后的樣品進(jìn)行腐蝕處理，通過腐蝕劑與樣品表面的化學(xué)反應(yīng)，顯示出樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)。使用金相顯微鏡觀察腐蝕后的樣品，能夠直觀地看到釬料的晶粒形態(tài)和大小。如在觀察添加稀土元素的Al-Si基釬料時，通過金相顯微鏡可以清晰地看到，與未添加稀土元素的釬料相比，添加稀土元素的釬料晶粒明顯細(xì)化，從原來的粗大晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小且均勻分布的晶粒。這是因為稀土元素在釬料凝固過程中，會在晶界處偏聚，阻礙晶粒的生長，從而使晶粒得到細(xì)化。掃描電鏡（SEM）則具有更高的分辨率和放大倍數(shù)，能夠觀察到釬料微觀組織中更細(xì)微的結(jié)構(gòu)和特征。在使用SEM分析釬料微觀組織時，將制備好的樣品放入掃描電鏡的樣品室中，通過電子束與樣品表面的相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號，這些信號經(jīng)過探測器收集和處理后，在顯示屏上形成樣品的微觀圖像。通過SEM可以觀察到釬料中不同相的分布、形態(tài)以及相界面的特征。在分析Al-Si-Cu-Ni-RE系釬料時，通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，釬料中主要存在α（Al）相、Si相以及一些金屬間化合物相。其中，Si相在釬料中呈顆粒狀或短棒狀分布，α（Al）相則為連續(xù)的基體相。同時，還可以觀察到金屬間化合物相在晶界處的分布情況，這些金屬間化合物相的存在對釬料的性能有著重要影響。能譜分析（EDS）通常與掃描電鏡結(jié)合使用，它能夠?qū)︹F料微觀組織中的元素進(jìn)行定性和定量分析。在SEM觀察的基礎(chǔ)上，利用EDS可以確定不同相中的元素組成和含量。如在對Al-Si-Cu-Ni-RE系釬料進(jìn)行EDS分析時，能夠準(zhǔn)確測定α（Al）相中Al、Si、Cu、Ni等元素的含量，以及Si相和金屬間化合物相中各元素的比例。通過EDS分析還可以發(fā)現(xiàn)，稀土元素在釬料中的分布并不均勻，主要富集在晶界和相界面處。這是因為稀土元素具有較強的偏聚傾向，在晶界和相界面處能夠更好地發(fā)揮其細(xì)化晶粒、改善組織和提高性能的作用。釬料的微觀組織與性能之間存在著密切的關(guān)系。晶粒大小對釬料的性能有著顯著影響。細(xì)化的晶粒能夠增加晶界的數(shù)量，晶界可以阻礙位錯的運動，從而提高釬料的強度和韌性。如添加稀土元素細(xì)化晶粒后的Al-Si基釬料，其抗拉強度和沖擊韌性都有明顯提高。相的種類和分布也會影響釬料的性能。在Al-Si-Cu-Ni-RE系釬料中，適量的金屬間化合物相能夠提高釬料的硬度和強度，但如果金屬間化合物相過多或分布不均勻，會導(dǎo)致釬料的脆性增加，降低接頭的性能。因此，通過微觀組織分析，深入了解釬料的微觀結(jié)構(gòu)特征，對于優(yōu)化釬料成分和工藝，提高釬料性能具有重要意義。四、低熔點鋁硅基釬料的制備工藝4.1熔煉工藝低熔點鋁硅基釬料的熔煉工藝對釬料的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響，其涉及到熔煉設(shè)備的選擇以及具體的熔煉過程，包括原料的準(zhǔn)備、熔煉溫度和時間的控制以及精煉劑的使用等環(huán)節(jié)。在熔煉設(shè)備方面，常見的有電阻加熱反射爐、燃?xì)饧訜岱瓷錉t和感應(yīng)爐等。電阻加熱反射爐通過電阻絲發(fā)熱，將熱量傳遞給爐內(nèi)的物料，具有溫度控制較為精確、加熱均勻的優(yōu)點。在一些對釬料成分均勻性要求較高的生產(chǎn)中，電阻加熱反射爐能夠滿足需求，確保各種合金元素在熔煉過程中充分熔合。燃?xì)饧訜岱瓷錉t則是以煤氣或天然氣等作為燃料，燃燒產(chǎn)生的熱量使物料熔化。這種爐子的加熱速度相對較快，生產(chǎn)效率較高，適合大規(guī)模的釬料熔煉。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，燃?xì)饧訜岱瓷錉t能夠快速將大量的原料熔煉成所需的釬料，滿足生產(chǎn)線上對釬料的大量需求。感應(yīng)爐利用電磁感應(yīng)原理，使?fàn)t內(nèi)的金屬物料自身產(chǎn)生熱量而熔化。感應(yīng)爐具有加熱速度快、熔煉效率高的特點，同時能夠較好地保護(hù)金屬元素，減少燒損。在熔煉含有易氧化元素的低熔點鋁硅基釬料時，感應(yīng)爐能夠在較短時間內(nèi)完成熔煉，減少元素的氧化損失，保證釬料的成分準(zhǔn)確性。在熔煉過程中，首先要對原料進(jìn)行嚴(yán)格的準(zhǔn)備工作。選用高純度的純鋁、純硅、純銅、純鎳以及稀土合金等作為原料，按照預(yù)設(shè)的成分比例進(jìn)行精確稱量。在設(shè)計的某低熔點鋁硅基釬料成分中，需要精確稱取一定質(zhì)量的純鋁、純度為99.9%的硅、純銅等，以確保最終釬料成分的準(zhǔn)確性。將稱量好的原料按一定的加料順序加入爐內(nèi)。一般先加入熔點較高的鋁，待鋁完全熔化后，再加入其他合金元素。這是因為先熔化鋁可以形成一個良好的熔池，便于后續(xù)合金元素的均勻熔合。在加入合金元素時，要緩慢加入，并不斷攪拌，以促進(jìn)元素的擴散和均勻分布。熔煉溫度和時間是影響釬料質(zhì)量的關(guān)鍵因素。熔煉溫度需要根據(jù)釬料的成分和熔點來確定，一般要高于釬料的液相線溫度。如果熔煉溫度過低，合金元素難以充分熔解和擴散，導(dǎo)致釬料成分不均勻，影響釬料的性能。在熔煉含Cu、Ni等元素的低熔點鋁硅基釬料時，若溫度過低，Cu、Ni等元素可能無法完全溶解，會出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，降低釬料的強度和潤濕性。然而，熔煉溫度過高，會導(dǎo)致合金元素的燒損增加，特別是一些易揮發(fā)的元素，如Mg等。過高的溫度還可能使釬料發(fā)生氧化，降低釬料的質(zhì)量。在熔煉含有Mg元素的釬料時，溫度過高會使Mg大量燒損，無法充分發(fā)揮其降低熔點和改善潤濕性的作用。熔煉時間也需要合理控制。適當(dāng)延長熔煉時間，有利于合金元素的充分?jǐn)U散和均勻分布，提高釬料的質(zhì)量。但過長的熔煉時間會增加生產(chǎn)成本，同時也可能導(dǎo)致釬料的組織粗大，影響其性能。在實際生產(chǎn)中，需要通過實驗確定最佳的熔煉時間。在熔煉某低熔點鋁硅基釬料時，通過對比不同熔煉時間下釬料的成分均勻性和性能，發(fā)現(xiàn)熔煉時間為30-40分鐘時，釬料的各項性能較為優(yōu)異。精煉劑在熔煉過程中起著重要作用。精煉劑能夠有效去除合金中溶解的氣體和夾帶的固體顆粒，提高釬料的純度。常用的精煉劑有氟氯酸鉀等。在熔煉過程中，當(dāng)合金熔化均勻后，少量多次加入精煉劑，充分?jǐn)嚢?，使精煉劑與氣體和雜質(zhì)充分接觸，然后將表面浮渣除去。這樣可以有效減少釬料中的氣孔和夾雜物，提高釬焊接頭的質(zhì)量。若精煉不充分，釬料中殘留的氣體和雜質(zhì)在釬焊過程中可能會形成氣孔、裂紋等缺陷，降低接頭的強度和密封性。4.2成型工藝4.2.1常規(guī)成型方法常規(guī)成型方法在低熔點鋁硅基釬料的制備中應(yīng)用廣泛，鑄錠和拉絲是其中較為常見的兩種方式，它們各自具有獨特的工藝特點和適用場景。鑄錠是將熔煉好的液態(tài)釬料倒入特定形狀的模具中，使其冷卻凝固形成一定形狀和尺寸的錠坯。在鑄錠過程中，模具的選擇至關(guān)重要，常見的模具有金屬模具和砂型模具。金屬模具具有導(dǎo)熱性好、冷卻速度快的優(yōu)點，能夠使液態(tài)釬料迅速凝固，從而獲得晶粒細(xì)小、組織致密的鑄錠。在一些對釬料組織和性能要求較高的應(yīng)用中，如航空航天領(lǐng)域，常采用金屬模具進(jìn)行鑄錠。砂型模具則具有制作成本低、形狀適應(yīng)性強的特點，能夠制作出各種復(fù)雜形狀的鑄錠。對于一些形狀不規(guī)則、批量較小的釬料鑄錠需求，砂型模具是較為合適的選擇。鑄錠工藝相對簡單，能夠大規(guī)模生產(chǎn)釬料，適用于對釬料形狀和尺寸要求不特別嚴(yán)格的場合，如一般工業(yè)生產(chǎn)中的釬料供應(yīng)。但鑄錠過程中可能會出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，導(dǎo)致釬料成分不均勻，影響釬料的性能。為了減少偏析，在鑄錠過程中可以采用適當(dāng)?shù)臄嚢璐胧?，促進(jìn)合金元素的均勻分布。拉絲是將鑄錠通過拉絲機進(jìn)行拉拔，使其逐漸變細(xì)形成絲狀釬料。在拉絲過程中，需要對鑄錠進(jìn)行預(yù)處理，如加熱、表面潤滑等，以降低拉絲過程中的阻力，提高拉絲質(zhì)量。加熱能夠使鑄錠的塑性增加，便于拉拔；表面潤滑則可以減少鑄錠與拉絲模之間的摩擦，防止鑄錠表面劃傷。拉絲工藝能夠生產(chǎn)出尺寸精確、表面質(zhì)量高的絲狀釬料，這種絲狀釬料在釬焊過程中易于操作，能夠精確控制釬料的添加量，特別適用于電子元器件的釬焊等對釬料尺寸精度要求較高的場合。在電子設(shè)備的制造中，需要將微小的電子元器件連接起來，絲狀釬料能夠滿足這種高精度的連接需求。然而，拉絲工藝對設(shè)備和工藝要求較高，生產(chǎn)效率相對較低，成本也較高。同時，在拉絲過程中，由于金屬的加工硬化，可能會導(dǎo)致釬料的塑性下降，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚韥砘謴?fù)釬料的塑性。4.2.2快速凝固成型快速凝固成型是一種制備低熔點鋁硅基釬料的先進(jìn)工藝，它通過使液態(tài)釬料在極短的時間內(nèi)快速冷卻凝固，從而獲得非晶態(tài)或微晶態(tài)的釬料，這種獨特的工藝對釬料的性能有著顯著的影響?？焖倌讨苽浞蔷B(tài)或微晶態(tài)釬料的原理基于材料的凝固理論。在常規(guī)凝固過程中，液態(tài)金屬原子有足夠的時間進(jìn)行規(guī)則排列，形成晶體結(jié)構(gòu)。而在快速凝固過程中，冷卻速度極快，通常達(dá)到10?-10?℃/s，原子來不及進(jìn)行規(guī)則排列，就被“凍結(jié)”在液態(tài)時的無序狀態(tài)，從而形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在某些情況下，雖然沒有完全形成非晶態(tài)，但由于冷卻速度快，晶核形成速率遠(yuǎn)大于晶體生長速率，會得到晶粒尺寸極小的微晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在制備低熔點鋁硅基釬料時，利用單輥急冷設(shè)備，將液態(tài)釬料噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，銅輥的快速散熱使得釬料以極高的速度冷卻，從而實現(xiàn)快速凝固?？焖倌坛尚凸に嚲哂幸幌盗歇毺氐墓に囂攸c。冷卻速度極快，能夠有效抑制溶質(zhì)原子的擴散和偏析，使合金元素在釬料中均勻分布。這對于提高釬料的性能均勻性至關(guān)重要。在Al-Si-Cu基釬料的快速凝固過程中，Cu元素能夠均勻地分布在釬料中，避免了常規(guī)凝固過程中可能出現(xiàn)的Cu元素偏析現(xiàn)象，從而提高了釬料的強度和潤濕性?？焖倌棠軌蚣?xì)化晶粒，獲得微晶甚至非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。細(xì)化的晶粒增加了晶界的數(shù)量，晶界能夠阻礙位錯的運動，從而提高釬料的強度和韌性。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)由于不存在晶界和位錯等缺陷，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如高強度、高耐腐蝕性等?？焖倌踢€可以使釬料獲得過飽和固溶體，過飽和固溶體在后續(xù)的處理過程中能夠發(fā)生時效析出，進(jìn)一步提高釬料的強度和硬度?？焖倌虒Φ腿埸c鋁硅基釬料性能的影響十分顯著。在熔化特性方面，快速凝固后的釬料液相線溫度通常會有所降低。在制備Al-Si-Cu薄帶釬料時，通過快速凝固技術(shù)，使釬料的液相線降低了3-5℃。這是因為快速凝固改變了釬料的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式，降低了原子間的結(jié)合力，從而降低了液相線溫度。在潤濕性和鋪展性方面，快速凝固能夠改善釬料的潤濕性。由于快速凝固使釬料的表面活性增加，降低了釬料與母材之間的界面能，使得釬料在母材表面的鋪展性更好。在對快速凝固的Al-Si基釬料進(jìn)行鋪展試驗時發(fā)現(xiàn)，其在鋁合金母材表面的鋪展面積比常規(guī)釬料增大了20%左右，鋪展角也明顯減小。在接頭強度方面，快速凝固釬料的接頭強度通常較高。細(xì)化的晶粒和均勻的成分分布使得釬焊接頭在受力時能夠更均勻地分布應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，從而提高接頭的承載能力。在對快速凝固的Al-Si-Cu-Ni-RE系釬料進(jìn)行釬焊接頭剪切強度測試時發(fā)現(xiàn)，其接頭的剪切強度比常規(guī)釬料提高了30%左右。五、低熔點鋁硅基釬料的應(yīng)用案例5.1在鋁合金結(jié)構(gòu)件釬焊中的應(yīng)用以汽車鋁合金零部件釬焊為例，低熔點鋁硅基釬料展現(xiàn)出了優(yōu)異的應(yīng)用效果和顯著優(yōu)勢。汽車行業(yè)為了提高燃油經(jīng)濟性和減少尾氣排放，越來越多地采用鋁合金材料來制造零部件，如發(fā)動機缸體、散熱器、車身框架等。在這些鋁合金零部件的制造過程中，釬焊是一種重要的連接方法，而低熔點鋁硅基釬料的應(yīng)用，有效解決了鋁合金釬焊中的諸多難題。在汽車散熱器的制造中，傳統(tǒng)的釬料熔點較高，釬焊過程中容易導(dǎo)致鋁合金母材過熱，影響散熱器的性能和可靠性。而采用低熔點鋁硅基釬料，如含有適量Cu、Mg、Ni和稀土元素的釬料，能夠在較低的溫度下實現(xiàn)釬焊連接。這類釬料的熔點可降低至530℃左右，相較于傳統(tǒng)釬料，大大降低了釬焊溫度。較低的釬焊溫度有效減少了對鋁合金母材的熱影響，避免了母材晶粒長大、力學(xué)性能下降等問題。在對6063鋁合金制成的散熱器進(jìn)行釬焊時，使用低熔點鋁硅基釬料，能夠確保散熱器的翅片和管道在釬焊后仍保持良好的強度和耐腐蝕性，提高了散熱器的整體性能。低熔點鋁硅基釬料在潤濕性和鋪展性方面具有優(yōu)勢。在汽車發(fā)動機缸體的釬焊中，需要釬料能夠在復(fù)雜的接頭表面良好地潤濕和鋪展，以確保接頭的密封性和強度。低熔點鋁硅基釬料中添加的稀土元素等能夠降低釬料與母材之間的界面能，使其在鋁合金母材表面的鋪展面積更大，鋪展角更小。在實際應(yīng)用中，低熔點鋁硅基釬料能夠充分填充發(fā)動機缸體的接頭間隙，形成致密的釬縫，提高了缸體的密封性能和結(jié)構(gòu)強度。與傳統(tǒng)釬料相比，使用低熔點鋁硅基釬料釬焊的發(fā)動機缸體，在高壓測試中的泄漏率明顯降低，可靠性得到顯著提升。低熔點鋁硅基釬料還能提高釬焊接頭的強度。在汽車車身框架的鋁合金零部件連接中，接頭強度至關(guān)重要。低熔點鋁硅基釬料中的合金元素，如Cu、Ni等，能夠與Al形成固溶體和金屬間化合物，使釬焊接頭得到強化。通過合理調(diào)整釬料成分和釬焊工藝，使用低熔點鋁硅基釬料釬焊的車身框架接頭，其剪切強度能夠達(dá)到60MPa以上，滿足了汽車車身結(jié)構(gòu)對強度的要求。在汽車碰撞試驗中，采用低熔點鋁硅基釬料釬焊的車身框架，能夠有效吸收和分散碰撞能量，提高了車身的安全性。5.2在電子電器領(lǐng)域“以鋁代銅”中的應(yīng)用在電子電器領(lǐng)域，“以鋁代銅”是一種重要的發(fā)展趨勢，低熔點鋁硅基釬料在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以某電子設(shè)備的散熱模塊為例，傳統(tǒng)的散熱模塊通常采用銅材作為散熱部件，雖然銅具有良好的導(dǎo)熱性能，但成本較高且密度較大。為了降低成本并實現(xiàn)輕量化，采用鋁合金材料替代銅材，并使用低熔點鋁硅基釬料進(jìn)行釬焊連接。低熔點鋁硅基釬料在該應(yīng)用中具有多方面的優(yōu)勢。其熔點低，能夠在相對較低的溫度下實現(xiàn)釬焊，這有助于減少對電子元器件的熱影響，避免因高溫導(dǎo)致元器件性能下降。在對含有多種電子元器件的散熱模塊進(jìn)行釬焊時，使用熔點為530℃左右的低熔點鋁硅基釬料，能夠確保在釬焊過程中不會對周邊的熱敏電子元器件造成損害。低熔點鋁硅基釬料的潤濕性和鋪展性較好，能夠在鋁合金母材表面良好地潤濕和鋪展，形成緊密的連接，保證散熱模塊的散熱效率。通過鋪展試驗發(fā)現(xiàn)，該釬料在鋁合金母材表面的鋪展面積比傳統(tǒng)釬料增大了15%左右，鋪展角減小，使得釬縫更加致密，有效提高了散熱模塊的熱傳導(dǎo)性能。在實際應(yīng)用中，低熔點鋁硅基釬料也面臨一些問題。釬料與銅、鋁母材的物理性能差異較大，在焊接過程中容易出現(xiàn)冶金難結(jié)合、應(yīng)力難協(xié)同等困難，導(dǎo)致接頭的可靠性受到影響。由于銅、鋁的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時，接頭處容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致釬縫開裂。在一些對溫度變化較為敏感的電子設(shè)備中，這種熱應(yīng)力問題尤為突出。釬料中的某些合金元素可能會對電子元器件產(chǎn)生潛在的腐蝕風(fēng)險。在潮濕環(huán)境下，釬料中的一些元素可能會與水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，對周邊的電子元器件造成腐蝕，影響電子設(shè)備的使用壽命。為了解決這些問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化釬料成分和釬焊工藝。通過調(diào)整釬料中合金元素的種類和含量，改善釬料與母材的冶金結(jié)合性能，降低