高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁基活性釬料及其制備方法，具體涉及一種高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC顆粒強(qiáng)化的鋁基復(fù)合材料采用傳統(tǒng)熔焊方法(TIG、MIG、激光焊接、電子束焊接等)時(shí)的可焊性較差。主要問(wèn)題有:由于熔池溫度過(guò)高，SiC增強(qiáng)顆粒與高度過(guò)熱的Al液發(fā)生界面反應(yīng)，生成有害的Al4C3;同時(shí)熔池粘度大，易產(chǎn)生氣孔；當(dāng)添加焊絲時(shí)，焊絲與母材混合困難。因此SiC顆粒強(qiáng)化的鋁基復(fù)合材料應(yīng)優(yōu)選釬焊或過(guò)渡液相擴(kuò)散焊(TLP:Transient Liquid Phase bonding)方法進(jìn)行焊接，但存在潤(rùn)濕性差與焊接區(qū)顆粒分布不均勻兩方面的問(wèn)題。其中，潤(rùn)濕性是更為最重要的首要要求，它決定了界面的致密性與界面的承載能力。然而，鋁基復(fù)合材料母材對(duì)傳統(tǒng)的鋁基釬料(如HL400、HL401等須配氟化物釬劑QJ201)及傳統(tǒng)TLP擴(kuò)散焊所用中間層(如常見(jiàn)的Cu)的潤(rùn)濕性很差。由于鋁基復(fù)合材料表面是金屬基體(M)與增強(qiáng)相顆粒(P)混存的表面，所以鋁基復(fù)合材料母材與金屬釬料或中間層形成的界面可細(xì)分為兩大類:金屬基體/釬料金屬(M/M)界面與陶瓷增強(qiáng)相顆粒/釬料金屬(P/Μ)界面。其中，因陶瓷增強(qiáng)相的存在而形成的P/Μ界面比M/M界面的潤(rùn)濕性更差，這對(duì)釬料的成分設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003]迄今為止，對(duì)于采用攪拌鑄造方法制備的低體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料，廣泛采用價(jià)廉的Cu箔作中間層進(jìn)行TLP擴(kuò)散焊，以利用Al-Cu共晶反應(yīng)破除鋁基體表面的氧化膜，但容易產(chǎn)生顆粒偏聚現(xiàn)象。另一方面，傳統(tǒng)鋁基釬料及Cu中間層在釬焊鋁基復(fù)合材料時(shí)對(duì)陶瓷顆粒的潤(rùn)濕性差。由于以上種種原因，無(wú)法獲得高質(zhì)量的焊接接頭。
[0004]當(dāng)鋁基復(fù)合材料中的SiC陶瓷增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)超過(guò)50%時(shí)，通常就被認(rèn)為是高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料。這種高體積分?jǐn)?shù)的鋁基復(fù)合材料在電子封裝等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但是由于材料中過(guò)多的SiC陶瓷顆粒，導(dǎo)致可焊性極差。尤其對(duì)于釬焊與TLP焊接等焊接方法，大量的陶瓷強(qiáng)化相嚴(yán)重惡化了潤(rùn)濕性。
[0005]申請(qǐng)者前期研發(fā)了面向低體積分?jǐn)?shù)10vol.% SiCp/ZL101復(fù)合材料的Al-Cu-Ti三元活性釬料。在釬焊實(shí)驗(yàn)中，Al-Cu-Ti釬料中的降恪元素Cu能通過(guò)Al-S1-Cu三元共晶反應(yīng)使ZLlOl基體很好地溶解，故能在M/M界面獲得優(yōu)異的潤(rùn)濕性，同時(shí)活性元素Ti也使P/Μ界面能夠呈現(xiàn)良好的潤(rùn)濕性，因之可獲得極佳的接頭性能(剪切強(qiáng)度可達(dá)母材強(qiáng)度的99% )。但是將該Al-Cu-Ti釬料用于壓力浸滲制備的高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料70vol.%SiCp/ZL101時(shí)，發(fā)現(xiàn)大量的P/Μ界面存在因不良潤(rùn)濕性而導(dǎo)致的間隙；同時(shí)低溫時(shí)(560°C )許多M/M界面也存在潤(rùn)濕性較差的現(xiàn)象；高溫時(shí)(600°C )，液相易被擠出反而使接頭強(qiáng)度降低，接頭剪切強(qiáng)度整體較低，僅為30MPa左右。
[0006]前期實(shí)驗(yàn)表明，高體積分?jǐn)?shù)陶瓷對(duì)潤(rùn)濕性的影響與低體積分?jǐn)?shù)陶瓷有一定差別:低體積分?jǐn)?shù)陶瓷導(dǎo)致界面存在難以潤(rùn)濕的P/Μ界面，但尚未對(duì)M/M界面潤(rùn)濕性造成危害(Cu箔能順利熔化并部分存留)；高體積分?jǐn)?shù)陶瓷不僅大幅增加了難以潤(rùn)濕的P/Μ界面的總數(shù)量與所占比率，同時(shí)嚴(yán)重惡化了“小尺度基體”與金屬釬料(M/M)界面間的潤(rùn)濕性(雖然Cu箔能夠借助共晶反應(yīng)順利熔化，但是液相會(huì)被大量擠出焊縫)。這是由于大量的陶瓷顆粒阻礙了位于其間的微米尺度范圍的金屬基體的膨脹量，導(dǎo)致氧化膜脹裂困難，影響了 M/M界面潤(rùn)濕性，這一特點(diǎn)與低體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料不同。據(jù)此，申請(qǐng)者提出了高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料“基體去膜方面的尺度效應(yīng)”這一學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，并認(rèn)為即便對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料，M/M界面的潤(rùn)濕性的重要性不容忽視，仍然應(yīng)放在第一位考慮。
[0007]對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料，潤(rùn)濕性差的原因除了大量存在的P/Μ界面外，還有更為關(guān)鍵的不同于低體積分?jǐn)?shù)情況的兩方面原因:1)M/M界面氧化膜脹裂受到大量陶瓷相限制；2)如果反應(yīng)較快的M/M界面未被潤(rùn)濕，則液相難以在壓力下留存于焊縫中，而反應(yīng)緩慢的P/Μ界面需要液相存留較長(zhǎng)時(shí)間才能被潤(rùn)濕。因此現(xiàn)有活性釬料因“小尺度基體區(qū)”(_級(jí)以下，約5?50微米)表面氧化膜受制于大量陶瓷相的存在而難以漲裂，從而影響降熔元素對(duì)“小尺度基體區(qū)”的去膜與潤(rùn)濕的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有活性釬料因“小尺度基體區(qū)”(mm級(jí)以下，約5?50微米)表面氧化膜受制于大量陶瓷相的存在而難以漲裂，從而影響降熔元素對(duì)“小尺度基體區(qū)”的去膜與潤(rùn)濕的問(wèn)題，提供了一種高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料及其制備方法，采用該鋁基活性釬料在焊接時(shí)可以同時(shí)有效地改善釬料對(duì)陶瓷增強(qiáng)相及小尺度基體區(qū)的潤(rùn)濕性，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度高，并且制備方法簡(jiǎn)單。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料由Cu元素、Mg元素、Ti元素及Al元素組成，其中所述高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料中Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(18-40) %、(0.5-10) V0R (0.1-10) %’ Cu元素及Mg元素均為雙重降恪元素，Ti元素為高溫活性元素。
[0010]所述高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料的熔化范圍為504。。?600。。。
[0011]本發(fā)明所述的高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料的制備方法包括以下步驟:
[0012]I)取一定量的Cu塊、Al塊、Mg塊及Α1-5??合金，再去除Cu塊、Al塊、Mg塊及Α1-5Τ?合金表面的油污及氧化膜，超聲清洗后吹干，然后再熔煉，最后自然冷卻至室溫，得鑄錠，其中，熔煉在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行，熔煉的具體過(guò)程為:先將Cu塊、Al塊及Α1-5??合金放置到坩禍中加熱熔化，保溫后加入Mg塊，再進(jìn)行保溫；
[0013]2)將步驟I)得到的鑄錠放置到容器內(nèi)，再在氬氣的保護(hù)下加熱熔化容器內(nèi)的鑄錠，并通過(guò)氬氣將熔化后鑄錠的熔體吹出至旋轉(zhuǎn)水冷銅輥表面，得到高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料，其中，所述高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料中Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(18-40) %、(0.5-20) %R (0.1-10) %。
[0014]步驟I)中將Cu塊、Al塊及Α1-5??合金放置到坩禍中加熱至700_900°C進(jìn)行熔化，保溫20-40min后加入Mg塊，然后再進(jìn)行保溫10_20min。
[0015]步驟2)中將容器固定在旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，然后再在氬氣的保護(hù)下加熱至850-900 °C熔化容器內(nèi)的鑄錠。
[0016]步驟3)中旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥的表面的線速度為8-16.5m/s。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明所述的高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料針對(duì)高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料中大量存在的SiC陶瓷相使得M/M界面氧化膜脹裂與去膜困難，液相易被擠出，在釬縫中存留時(shí)間過(guò)短，則釬焊過(guò)程中液相和P/Μ界面接觸時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致P/M界面也不能潤(rùn)濕的問(wèn)題，提出了添加Cu元素、Mg元素來(lái)優(yōu)先改善M/M界面潤(rùn)濕性的技術(shù)方案；同時(shí)避免液相被擠出釬縫，延長(zhǎng)P/Μ界面潤(rùn)濕反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到改善P/Μ界面潤(rùn)濕性以及接頭性能的雙重目的。根據(jù)Mg元素具有通過(guò)化學(xué)機(jī)制去膜的能力使氧化膜由連續(xù)的膜狀變?yōu)榱?；Cu元素通過(guò)與基體金屬形成液相來(lái)去除氧化膜；而且Mg元素為降熔元素，因此Mg元素與Cu元素共同進(jìn)一步降低膜下液化所需溫度，因此即使在金屬基體熱膨脹量受到大量陶瓷相嚴(yán)重制約的不利情況下，仍然能夠通過(guò)多元反應(yīng)保證有效的去膜作用，從而有效地改善釬料對(duì)陶瓷增強(qiáng)相的潤(rùn)濕性，并且釬焊接頭剪切強(qiáng)度最高可達(dá)74MPa ;另外，在制備高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料的過(guò)程中，先將Cu塊、Al塊及Α1-5??合金熔化，再加入Mg塊，得鑄錠，然后再將鑄錠放置到容器中，并將容器固定在旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，熔化鑄錠后將其吹出，即可完成高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-Cu-Mg-Ti四元活性釬料制備，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1 (a)為采用本發(fā)明制備的高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-33Cu-6Mg_lTi四元鋁基活性釬料的接頭剪切強(qiáng)度-溫度曲線圖；
[0020]圖1 (b)為采用現(xiàn)有的Al-33Cu_lTi釬料的接頭剪切強(qiáng)度-溫度曲線圖；
[0021]圖2(a)為560°C采用本發(fā)明制備的高體積分?jǐn)?shù)鑄鋁基復(fù)合材料的Al-33Cu-6Mg-lTi四元鋁基活性釬料焊接的高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料釬縫的組織放大圖；
[0022]圖2(b)為在560°C采用原有的Al-Cu-Ti釬料焊接的高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料釬縫的組織放大圖