何思源，張德庫(kù)，李曉鵬，王恒

(南京理工大學(xué)，南京 210094)

0 前言

從20世紀(jì)美國(guó)首次采用氧化鋁和鋁合金制備抗彈陶瓷復(fù)合裝甲，陶瓷材料應(yīng)用于防彈領(lǐng)域已成為近年來國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，金屬封裝陶瓷材料制備的復(fù)合材料因?yàn)楦邚椥阅Ａ俊⒌兔芏?、?yōu)良的韌性和延展性，在航空航天、核能物理、電工電子、機(jī)械制造等領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的制備，是涉及多種材料連接和應(yīng)用技術(shù)的綜合性問題，如金屬中的金屬鍵與陶瓷中的離子鍵與共價(jià)鍵難以鍵合，材料熱膨脹系數(shù)差異過大一直以來是研究的重點(diǎn)。

針對(duì)金屬與陶瓷制備的難點(diǎn)，研究者[4]通過兩種Ni基釬料：MoNi20.35Cr10.04Si和Ni18.4Cr18.95Si，在1 300 ℃下連接了Si3N4陶瓷與金屬M(fèi)o。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王天鵬[5]采用Ag-Cu-Ti+TiNp活性釬料真空釬焊連接Si3N4陶瓷與40CrMo鋼，1 173 ℃釬焊5 min時(shí)接頭的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)到最高值376.11 MPa。

文中主要研究7A52鋁合金和鍍鎳Al2O3陶瓷之間加Al-Si-Mg中間層采用加壓釬焊的方法，在不同溫度和保溫時(shí)間下的工藝研究，結(jié)合組織微觀形貌和力學(xué)性能，為金屬封裝陶瓷材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)選用的是20 mm×20 mm×20 mm牌號(hào)為7A52鋁合金[6]，選用直徑φ10 mm表面鍍鎳的氧化鋁陶瓷球，將厚度0.1 mm的Al-Si-Mg焊料壓入鋁合金球形內(nèi)壁，采用圖1所示裝配進(jìn)行封接后，在真空熱壓爐內(nèi)壓力2 MPa下進(jìn)行封裝。

圖1 封裝裝配圖

采用的試驗(yàn)設(shè)備為：釬焊封裝采用ZM(Y)系列真空熱壓爐；試樣清洗及預(yù)處理使用KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器；陶瓷球化學(xué)鍍鎳采用型號(hào)為HH600的數(shù)顯電熱水浴槽。采用型號(hào)為OLYMPAUS BX60M的金相顯微鏡對(duì)焊接接頭及FEI Quanta 250F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，使用型號(hào)為YAW-2000F型微機(jī)控制點(diǎn)液伺服壓力萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊后進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 保溫時(shí)間對(duì)接頭微觀組織的影響

鋁合金表面極易生成十分穩(wěn)定的 Al2O3氧化膜[7]，降低了陶瓷與鋁合金的封裝效果，因此采用Al-Si-Mg釬料進(jìn)行加壓釬焊封裝，釬料中的硅元素是一種強(qiáng)擴(kuò)散元素，在熱壓封裝過程中會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)散，與鋁合金形成冶金結(jié)合，而鎂元素的蒸氣壓高、沸點(diǎn)低，在真空中揮發(fā)的蒸汽能夠去除真空中的氧和水分，同時(shí)，鎂元素會(huì)破壞鋁合金表面氧化膜與母材的結(jié)合[8]，使熔化的釬料沿鋁的表面潤(rùn)濕和鋪展。而保溫時(shí)間的不同將決定釬料對(duì)接頭表面潤(rùn)濕效果起到了關(guān)鍵作用。如圖2所示，采用Al-Si-Mg釬料接頭界面結(jié)構(gòu)為：Al2O3陶瓷/Al-Ni金屬間化合物[9]/Al-Si共晶/7A52鋁合金。圖2a是590 ℃保溫時(shí)間為0.5 h，壓力2 MPa條件下的接頭微觀組織形貌。圖中可以看出，接頭界面中間層厚度在20～25 μm之間，且與兩側(cè)結(jié)合較為緊密，在鋁合金側(cè)存在極少量孔洞、縫隙等缺陷。接頭界面反應(yīng)區(qū)有細(xì)微裂紋，但未見明顯缺陷。為了確定接頭界面反應(yīng)區(qū)可能存在的相，對(duì)圖2a接頭進(jìn)行了EDS分析，分析結(jié)果如表1所示。在靠近Al2O3的a1，a4位置處，Al/Ni原子比分別為2.5及1.5，在靠近Al2O3一側(cè)生成了Al3Ni2及Al-Ni共晶相。在接頭界面中間位置的a2，a5處，由原子比例得到生成了Al-Ni共晶相及Al3Ni相。在靠近鋁合金一側(cè)的位置a3，a6處，生成了Al3Ni相。硅元素由于是一種活性元素，在熱壓封裝時(shí)，會(huì)向鋁合金中擴(kuò)散，因此在接頭反應(yīng)區(qū)只有較少量的硅元素。鎂元素同樣是一種活性元素，靠近鋁合金一側(cè)的位置6處鎂元素的含量高，證明了在熱壓封裝時(shí)，鎂元素會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)散，因此在接頭界面反應(yīng)區(qū)處鎂元素含量少。

圖2b為保溫時(shí)間1 h的焊接接頭，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭處孔洞、縫隙等缺陷增多，反應(yīng)層的厚度變得不規(guī)則，最大厚度20 μm，最小厚度約為10 μm，中間層與Al2O3陶瓷及鋁合金的邊界變得凹凸不平。鋁合金一側(cè)表面出現(xiàn)較多的孔洞等缺陷，使整個(gè)表面較為粗糙。這是由于7A52鋁合金是Al-Mg-Si系鋁合金，合金中含有一定量的硅元素，在熱壓封裝時(shí)，硅相析出并生長(zhǎng)成板塊狀，在試樣制備過程中，由于硅的硬度較高，在打磨拋光的過程中脫落，這也是鋁合金一側(cè)表面粗糙度較大的原因。當(dāng)保溫時(shí)間為2 h時(shí)接頭反應(yīng)區(qū)的厚度變窄，約為7～10 μm，同時(shí)接頭反應(yīng)區(qū)變得更為光滑，和鋁合金側(cè)結(jié)合的更加緊密，但是和Al2O3陶瓷側(cè)之間結(jié)合的不緊密，存在裂紋，這是因?yàn)橹虚g層和Al2O3的熱膨脹系數(shù)不同，在焊后冷卻的過程中，兩者的收縮程度不同，所以出現(xiàn)裂縫，反應(yīng)層的孔洞、裂紋較少。接頭反應(yīng)區(qū)和鋁合金的結(jié)合界面呈現(xiàn)凹凸不平、互相“咬合”[10]。為了確定接頭界面反應(yīng)區(qū)可能存在的相，對(duì)圖2b反應(yīng)層進(jìn)行點(diǎn)掃描，結(jié)果見表1中b各點(diǎn)元素比例所示，接頭中存在一部分?jǐn)U散過來的Ni，Si，Mg等元素。在位置b1,b2,b3處，主要成分是Al3Ni化合物。圖2c接頭進(jìn)行了線掃描EDS分析，從圖2d中可以看出，接頭主要由Al，Ni兩種元素組成，Ni元素從距EDS線掃描開始處6 μm時(shí)，含量保持一致。Al元素和Si元素的變化趨勢(shì)相同，在線掃描15 μm后，Al元素及Si元素的含量較大，此時(shí)接頭處生成了Al-Si共晶組織。Mg元素的含量在Al2O3陶瓷與中間反應(yīng)層的結(jié)合處聚集，導(dǎo)致Al2O3陶瓷側(cè)含量明顯增多，且遠(yuǎn)高于其他地方的含量，其余區(qū)域由于Mg元素是活性元素，從中間向兩側(cè)擴(kuò)散，元素的含量在整個(gè)接頭區(qū)域處較為均勻。

圖2 保溫時(shí)間對(duì)于接頭微觀組織的影響

表1 EDS元素成分分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)

2.2 保溫溫度對(duì)接頭微觀組織的影響

溫度是金屬擴(kuò)散連接的重要工藝參數(shù)之一，影響封裝接頭界面的組織成分，直接影響接頭質(zhì)量。為了探究溫度對(duì)封裝接頭組織成分及力學(xué)性能的影響，文中采取對(duì)比試驗(yàn)，在焊接壓力為2 MPa，保溫時(shí)間為1 h 的一定條件下，分別在570 ℃，590 ℃，610 ℃的溫度下進(jìn)行熱壓封裝，其界面微觀形貌結(jié)果如下圖3所示，從上圖中可以看出，570 ℃條件下，圖3a中間反應(yīng)層無縫隙、空洞、裂紋等缺陷，與鋁合金及陶瓷均能緊密結(jié)合，且十分平直、光滑，中間反應(yīng)層的厚度約為10 μm；590 ℃條件下，中間反應(yīng)層開始出現(xiàn)孔洞、裂紋，且與鋁合金側(cè)的界面結(jié)合不如圖3b緊密，出現(xiàn)較多缺陷，且反應(yīng)層的厚度變大，約為25 μm；610 ℃條件下，中間反應(yīng)層甚至呈現(xiàn)“碎裂”的狀態(tài)，與陶瓷側(cè)界面出現(xiàn)較多孔洞、縫隙等缺陷，同時(shí)中間反應(yīng)層也開裂，厚度約為25～30 μm。保溫時(shí)間和壓力一定的情況下，溫度越高，中間反應(yīng)層的厚度越大，因?yàn)闇囟仍礁?，反?yīng)生成物越多，所以厚度越大。

圖3 保溫溫度對(duì)接頭微觀組織的影響

3 接頭抗剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)保溫時(shí)間1 h，壓力2 MPa保持一定時(shí)，從圖4a中可以看出，在Al-Si-Mg釬料達(dá)到590 ℃熔點(diǎn)之前溫度與接頭抗剪強(qiáng)度成正比例關(guān)系，570 ℃時(shí)Al-Si-Mg釬料僅部分熔化為液態(tài)，接頭潤(rùn)濕性差不能充分反應(yīng)，抗剪強(qiáng)度僅為17.2 MPa。當(dāng)溫度升高到590 ℃時(shí)接頭抗剪強(qiáng)度增加到24.8 MPa。這是因?yàn)闇囟仍礁?，釬料活性越高，釬料在陶瓷鍍鎳層表面的潤(rùn)適性更好，Mg元素參與接頭的反應(yīng)更更加充分，Mg元素破壞鋁合金表面氧化膜的能力越強(qiáng)。但當(dāng)溫度升高到610 ℃，生成的反應(yīng)層變厚，但是焊后冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[11]也增加，界面出現(xiàn)了較多的缺陷如圖3c，導(dǎo)致接頭抗剪強(qiáng)度與590 ℃時(shí)的接頭抗剪強(qiáng)度沒有明顯增加，為21.4 MPa，當(dāng)溫度為590 ℃，壓力2 MPa保持一定時(shí)，如圖4b所示，接頭的抗剪強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間的增加，保溫時(shí)間由0.5 h時(shí)增加到1 h，接頭抗剪強(qiáng)度由15.8 MPa增加到24.8 MPa，但當(dāng)超過一定界限時(shí)溫度的升高將導(dǎo)致接頭強(qiáng)度的急劇減少，保溫2 h接頭的抗剪強(qiáng)度僅為16.7 MPa，抗剪強(qiáng)度與保溫時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減少的線性關(guān)系。這是因?yàn)橐环矫嫜趸X陶瓷球鍍鎳層較薄，在封接溫度下，釬料中的Al-Si完全共晶，液態(tài)金屬在溫度和壓力的作用下不斷和化學(xué)鍍鎳層發(fā)生反應(yīng)，液態(tài)釬料不斷溶解鍍鎳層，生成化合物，Al-Ni金屬間化合物越來越多，導(dǎo)致化學(xué)鍍鎳層的鎖扣效應(yīng)越來越弱直至消失，接頭強(qiáng)度急劇降低。另一方面隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Al-Ni金屬間化合物越來越多，阻擋了Si和Mg原子向陶瓷一側(cè)的遷移和擴(kuò)散，界面處的Si相不斷析出，聚集在鋁合金和釬料一側(cè)，降低了接頭強(qiáng)度。

圖4 保溫溫度和時(shí)間與接頭抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)采用Al-Si-Mg釬料的7A52鋁合金和表面鍍鎳Al2O3陶瓷封接的最佳工藝參數(shù)：加熱溫度為590 ℃，壓力2 MPa，保溫時(shí)間1 h，反應(yīng)層厚度在10～27 μm，接頭達(dá)到的最大抗剪強(qiáng)度為24.8 MPa。

(2)加熱溫度的升高，接頭的抗剪強(qiáng)度越高，當(dāng)溫度超過590 ℃，界面出現(xiàn)裂紋抗剪強(qiáng)度下降。加熱溫度增加，抗剪強(qiáng)度之間呈現(xiàn)先上升后下降的關(guān)系

(3)過長(zhǎng)的保溫時(shí)間將減弱氧化鋁陶瓷化學(xué)鍍鎳層的鎖扣效應(yīng)，降低接頭的抗剪強(qiáng)度。