CN115609183A

CN115609183A - 一种多元铝基钎料、其制备方法及应用

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Publication number: CN115609183A
Application number: CN202211277129.8A
Authority: CN
Inventors: 彭腊梅; 李二行; 丰德友; 杨升; 王斌奇; 田少刚
Original assignee: Shaanxi Kaikaizhe Exploration Tools Co ltd; Shaanxi Taihe Intelligent Drilling Co ltd
Current assignee: Shaanxi Kaikaizhe Exploration Tools Co ltd; Shaanxi Taihe Intelligent Drilling Co ltd
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2023-01-17

Abstract

本发明公开了一种多元铝基钎料、其制备方法及应用，多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：60％～75％的铝、20％～32％的铜、1％～3％的镓、0.2％～2.3％的铟、0.1％～2.5％的锡，其余为锶和镍。多元铝基钎料的制备方法，包括：将铝和铝铜中间合金熔融，得到铝铜混合液；将镓、铟、锡、锶和镍加入所述铝铜混合液搅拌熔融，得到多元铝基钎料浇铸液；将所述多元铝基钎料浇铸液浇铸到多元铝基钎料模具中，得到多元铝基钎料。本发明多元铝基钎料的强度高，熔点低，能够防止母材过烧和溶蚀。

Description

一种多元铝基钎料、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于新型焊接材料技术领域，具体涉及一种多元铝基钎料、其制备方法及应用。

背景技术

铝合金材料具有密度低、比强度高、低温韧性好、易加工成型等优点，在航空、航天、汽车、机械制造等工业领域中，已成为大量应用的一类有色轻金属材料，使用量仅次于钢。低熔点、高强度铝基钎料广泛应用在高铁、航空业、造船业等结构件中，钎焊是一种既精密又高效的焊接方式，应用非常广泛。目前存在的铝基钎料熔点高，钎焊时易使母材过烧。因此，降低铝基钎料的熔点具有重要的意义。

在研发无铅新型钎料的过程中，为了防止母材过烧，降低铝基钎料熔点成为了很多研究者关注的热点问题，近年来越来越多的学者以Al-Si、Al-Cu、Al-Zn、 Al-Mg二元系合金和Al-Si-Cu、Al-Si-Zn三元系合金为理论支撑，采用合金化和低熔点元素研发制备了一系列无铅新型低熔点、高强度铝基钎料，同时对其焊接性能进行了研究。张启元等人和周飞等人研究了Al-Si钎料中Si含量对钎料熔点的影响，当钎料为亚共晶组织状态时，钎料具有良好的抗腐蚀性、流动性和润湿性。但是Al-Si系硬钎料中Si的片状组织形式降低了钎料的力学性能，同时Al-Si系硬钎料熔点高达577℃，会导致母材过烧、溶蚀等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多元铝基钎料、其制备方法及应用，强度高，熔点低，能够防止母材过烧和溶蚀。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：60％～75％的铝、20％～32％的铜、1％～3％的镓、0.2％～2.3％的铟、0.1％～2.5％的锡，其余为锶和镍。

一种多元铝基钎料的制备方法，包括：

将铝和铝铜中间合金熔融，得到铝铜混合液；

将镓、铟、锡、锶和镍加入所述铝铜混合液搅拌熔融，得到多元铝基钎料浇铸液；

将所述多元铝基钎料浇铸液浇注到多元铝基钎料模具中，得到多元铝基钎料。

进一步地，所述铝铜中间合金中铜含量为50％。

进一步地，将镓、铟、锡、锶和镍加入所述铝铜混合液搅拌熔融还包括加入精炼剂进行精炼。

进一步地，所述精炼剂的加入深度为1cm～4cm。

进一步地，所述精炼的时间为1min～3min。

进一步地，所述精炼剂为氩气。

一种多元铝基钎料的应用，采用所述多元铝基钎料对母材进行焊接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：60％～75％的铝、20％～32％的铜、1％～3％的镓、0.2％～2.3％的铟、0.1％～2.5％的锡，其余为锶和镍，低熔点元素Ga、In、Sn的加入可形成GaIn₃Sn相和GaInSn₄相， GaIn₃Sn相和GaInSn₄相具有液相通道效应，可以提高Cu元素的流动性，增加了钎料的润湿铺展性，促进了Cu元素与母材元素Al的冶金结合效果。Cu 元素可以和Al元素形成Θ(Al₂Cu)相，降低了钎料的熔点，锶和镍可以起到细化晶粒的效果。

本发明的铝基钎料的熔化区间为542℃～554℃，熔化温度区间最小为△ t＝18.77℃，可钎焊固相线在580℃以上的铝合金，应用广泛。本发明的铝基钎料在钎焊时无需真空环境，熔炼设备和钎焊设备结构简单，操作方便，制造成本低，可大规模生产。本发明的铝基钎料钎焊纯铝，钎焊温度为570～580℃，保温时间20min，获得的钎焊接头硬度高达120HV，可形成犬牙交错的冶金结合形貌，钎焊接头光滑平整。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1中，(a)是对实施例1～3的铝基钎料进行熔化特性分析图，(b)是对实施例1～3的铝基钎料进行液相点变化趋势分析图(2％GaIn₃Sn～6％GaIn₃Sn)；

图2中，(a)是对实施例3～6的铝基钎料进行熔化特性分析图，(b)是对实施例3～6的铝基钎料进行液相点变化趋势进行分析 (2％GaInSn₄～6％GaInSn₄)；

图3是对对比例的铝基钎料进行熔化特性分析图；

图4是对实施例1～3的铝基钎料进行显微组织分析图；

图5是对实施例3～6的铝基钎料进行显微组织分析图；

图6是对对比例的铝基钎料进行显微组织分析图；

图7是Al-30％Cu-GaIn₃Sn超声钎焊纯铝的接头金相微观组织图；

图8是Al-30％Cu-GaInSn₄超声钎焊纯铝的接头金相微观组织图；

图9是Al-25％Cu超声钎焊纯铝的接头金相微观组织图；

图10是实施例1～3的钎焊接头显微硬度分布曲线图；

图11是实施例3～6的钎焊接头显微硬度分布曲线图；

图12是对比例的钎焊接头显微硬度分布曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：67.9％的铝、30％的铜、 1％的镓、0.75％的铟、0.25％的锡、0.08％的锶和0.02％的镍；(2％GaInSn， In:Sn＝3:1)。

一种多元铝基钎料的制备方法如下：

1)称取原料：根据铝基钎料成分配比分别称取各组分，其中，铝以纯度为 99.99％的铝锭加入，Ga、In、Sn、Sr和Ni原料纯度均大于99.99％，铜选用铝铜中间合金加入，铝铜中间合金中铜含量为50％；

没有选择纯铜作为原料，而是选择了Al-50％Cu合金原料，一是能够降铝基钎料的固液相线温度；二是能够减少低熔点合金元素的烧损，有利于钎料合金成分的精确控制，以及提高钎料成分的精确性。

2)清洗原料：对纯铝、铝铜合金、Ga、In、Sn、Sr和Ni原料用酒精进行超声波清洗，去除表面杂质和油污；

3)粗炼：将纯度为99.99％的铝锭和铝铜中间合金投入到高频感应加热炉石墨坩埚中，熔炼温度范围为750℃，使之熔化为铝铜混合液；

向铝铜混合液中按上述重量百分数加入Ga、In、Sn、Sr和Ni元素并充分搅拌，在750℃下保温静置5min，去除熔体表面的浮渣，得到多元铝基钎料浇铸液；

4)精炼：向粗炼好的多元铝基钎料浇铸液中加入精炼剂进行精炼，精炼剂为高纯氩气，利用石墨管由溶液顶部通入，精炼剂通入深度为3cm，精炼时间为2min，同时进行均匀搅拌得到精炼后的多元铝基钎料浇铸液；

5)浇铸：待精炼后的多元铝基钎料浇铸液温度稳定到750℃后，去除表面浮渣，搅拌均匀后浇铸到多元铝基钎料石墨铸型模具中，浇铸时要将石墨铸型模具预热至100℃，最终得到一种低熔点、高强度、润湿铺展性优良的铝基钎料。

采用本实施例制得的铝基钎料对母材进行焊接，具体如下：

a.将母材制备成直径为30mm、厚度为3mm的圆片，在500到3000目的水纸上进行打磨，放入氢氧化钠溶液中，停留15s，取出放入硝酸中将氢氧化钠中和掉，然后将母材进行超声波清洗2～3分钟，吹干，目的是去除表面油脂和氧化膜；

b.铝基钎料为10×10×3mm，然后将铝基钎料在500到5000目的水纸上进行打磨，然后将铝基钎料放入酒精中进行超声波清洗2～3分钟，吹干；

c.将铝基钎料夹在两片纯铝母材中间，放在固定的夹具中，在惰性气体保护下中进行保护气体炉中超声钎焊，加热到570℃，保温20min；

d.随炉冷却到400℃后进行空冷，最后得到钎焊接头。

实施例2：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：65.9％的铝、30％的铜、 2％的镓、1.5％的铟、0.5％的锡、0.06％的锶和0.04％的镍；(4％GaInSn， In:Sn＝3:1)。

制备方法和钎焊方法同实施例1。

实施例3：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：63.9％的铝、30％的铜、 3％的镓、2.25％的铟、0.75％的锡、0.04％的锶和0.06％的镍；(6％GaInSn， In:Sn＝3:1)。

制备方法和钎焊方法同实施例1。

从图1中(a)、(b)可知，当GaInSn元素总量从2％增加到6％时，液相点从550℃下降到了546℃，表明GaInSn元素的加入可有效改性钎料的熔化特性，所制备的钎料熔点均低于纯铝母材温度，熔化温度较低，可满足超声波辅助钎焊纯铝的要求。因为加入的含量较少，所以温度下降不明显。三种钎料只有一个峰，说明钎料中几乎全是均匀、单一的共晶组织，所以该钎料流动性好，有利于钎焊过程中的填缝。

图4中(a)、(b)、(c)分别为Al-30％Cu-2％GaIn₃Sn、 Al-30％Cu-4％GaIn₃Sn、Al-30％Cu-6％GaIn₃Sn钎料扫描电镜图。观察分析三组钎料组织图，结果发现，随着GaIn₃Sn含量的增加，合金重量不变，Cu元素含量不变，Al元素含量减少，Al-30％Cu-6％GaIn₃Sn钎料共晶θ(A1₂Cu)相增加，α(Al)晶粒细化更加明显。Al-30％Cu-6％GaInSn钎料为共晶钎料。

图7中(a)、(b)、(c)分别为Al/Al-30％Cu-2％GaIn₃Sn/Al、 Al/Al-30％Cu-4％GaIn₃Sn/Al、Al/Al-30％Cu-6％GaIn₃Sn/Al接头微观金相组织图。通过观察分析断口金相组织，随着Ga、In、Sn元素含量的增加，半固态钎料中的液相通道效果明显，铝基钎料中的Cu原子能够通过液相通道向母材扩散。钎料与母材之间的界面开始起伏，熔合增大，界面扩散光滑顺畅。

图10为Al-Cu-Ga-In-Sn(In:Sn＝3:1)钎焊接头硬度曲线图，将钎焊接头分为3个区域，包括母材、扩散区和钎缝中心区。母材硬度为24HV，钎料中具有Al₂Cu金属间化合物。因此，钎焊接头中钎缝中心区硬度最大，从图10 可以看出，Al-30％-Cu-2％GaIn₃Sn硬度为80HV左右，Al-30％Cu-4％GaIn₃Sn 硬度为60HV左右，Al-30％Cu-6％GaIn₃Sn硬度为85HV左右。 Al-30％Cu-6％GaIn₃Sn钎焊接头硬度最大，因此其抗拉强度也好，钎焊效果最好。

实施例4：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：67.9％的铝、30％的铜、 1％的镓、0.2％的铟、0.8％的锡、0.08％的锶和0.02％的镍；(2％GaInSn， In:Sn＝1:4)。

制备方法和钎焊方法同实施例1。

实施例5：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：65.9％的铝、30％的铜、 2％的镓、0.4％的铟、1.6％的锡、0.06％的锶和0.04％的镍；(4％GaInSn， In:Sn＝1:4)。

制备方法和钎焊方法同实施例1。

实施例6：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：63.9％的铝、30％的铜、 3％的镓、0.6％的铟、2.4％的锡、0.04％的锶和0.06％的镍；(6％GaInSn， In:Sn＝1:4)。

制备方法和钎焊方法同实施例1。

从图2可知，当GaInSn元素质量百分含量从2％增加到6％时，液相点从 550℃下降到了546℃，表明低熔点GaInSn元素的加入不仅可以起到液相通道的作用，还可有效改善钎料的熔化特性。

图5中(d)、(e)、(f)分别为Al-30％Cu-2％GaInSn₄、Al-30％Cu-4％GaInSn₄、 Al-30％Cu-6％GaInSn₄钎料扫描电镜图。观察分析三种钎料组织图，结果发现随着GaInSn含量的增加，合金重量不变，Cu元素含量不变，Al元素含量减少。 Al-30％Cu-6％GaInSn₄钎料中共晶θ(A1₂Cu)相增加。α(Al)晶粒细化更加明显。 Al-30％Cu-6％GaInSn₄钎料为共晶钎料。Al-30％Cu-Ga-In-Sn(In:Sn＝1:4)钎料中InSn₄分布共晶均匀，没有聚集现象。

图8中(d)、(e)、(f)分别为Al/Al-30％Cu-2％GaInSn₄/Al、 Al/Al-30％Cu-4％GaInSn₄/Al、Al/Al-30％Cu-6％GaInSn₄/Al接头微观金相组织图。通过观察分析断口金相组织，结果表明，钎焊接头组织主要由α(Al)固溶体、θ(A1₂Cu)相和InSn₄相组成，Ga主要固溶在α(Al)固溶体中，可以清晰的看到钎料扩散到了母材中，界面处呈现波浪形式，Al/Al-30％Cu-6％GaInSn₄/Al接头界面处扩散深度高达50微米。钎缝界面波浪起伏更加明显，和 Al/Al-30％Cu-GaIn₃Sn/Al钎焊接头对比，Al/Al-30％Cu-GaInSn₄/Al钎焊接头中α(Al)等轴晶粒更加细小，直径约为20微米，超声细化效果更加明显。

图11为Al-Cu-Ga-In-Sn(In:Sn＝1:4)钎焊接头硬度曲线图，将钎焊接头分为3个区域，包括母材、扩散区和钎缝中心区。Al-30％Cu-2％GaInSn₄钎焊接头钎缝中心硬度为80HV左右，Al-30％Cu-4％GaInSn₄钎焊接头钎缝中心硬度为60HV左右，Al-30％Cu-6％GaInSn₄钎焊接头钎缝中心硬度为85HV左右。

实施例7：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：75％的铝、20％的铜、3％的镓、1.8％的铟、0.1％的锡、0.04％的锶和0.06％的镍。

制备方法和钎焊方法同实施例1。

实施例8：

一种多元铝基钎料，按照重量百分数计，包括：60％的铝、32％的铜、3％的镓、2.3％的铟、2.5％的锡、0.1％的锶和0.1％的镍。

制备方法和钎焊方法同实施例1。

对比例：

一种铝基钎料，包括75％的铝和25％的铜。

制备条件和钎焊方法同实施例1。

从图3可知，Al-30％Cu钎料的固相点T_s为531.4℃，液相点温度T_L为554℃，终止温度T_f为567.5℃，吸热峰范围为531.4～567.4℃，结晶温度区间为22.6℃，铝晶粒为粗大的长条状，长度约80μm，宽度约20μm。

图6为Al-25％Cu钎料凝固组织，由少量α(Al)相和密集的成片共晶组织组成，是典型的亚共晶组织，并且初生α(Al)相的形貌近似圆形，为典型的非小平面凝固方式。Al-25％Cu合金微观组织，铝晶粒为粗大的长条状，长度约80μm，宽度约20μm。

图9为Al/Al-25％Cu/Al接头微观金相组织图，钎料润湿铺展效果差，没有形成良好的冶金结合效果，扩散过去的是单一的针刺状。

图12为Al-30％Cu钎焊接头硬度曲线图，图中具有明显的山峰状。将钎焊接头分为3个区域，包括母材、扩散区和钎缝中心区，从钎缝中心区到母材，其硬度值依次减小。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种多元铝基钎料，其特征在于，按照重量百分数计，包括：60％～75％的铝、20％～32％的铜、1％～3％的镓、0.2％～2.3％的铟、0.1％～2.5％的锡，其余为锶和镍。

2.根据权利要求1所述的一种多元铝基钎料的制备方法，其特征在于，包括：

将铝和铝铜中间合金熔融，得到铝铜混合液；

3.根据权利要求2所述的一种多元铝基钎料的制备方法，其特征在于，所述铝铜中间合金中铜含量为50％。

4.根据权利要求2所述的一种多元铝基钎料的制备方法，其特征在于，将镓、铟、锡、锶和镍加入所述铝铜混合液搅拌熔融还包括加入精炼剂进行精炼。

5.根据权利要求4所述的一种多元铝基钎料的制备方法，其特征在于，所述精炼剂的加入深度为1cm～4cm。

6.根据权利要求4所述的一种多元铝基钎料的制备方法，其特征在于，所述精炼的时间为1min～3min。

7.根据权利要求4所述的一种多元铝基钎料的制备方法，其特征在于，所述精炼剂为氩气。

8.权利要求1所述的一种多元铝基钎料的应用，其特征在于，采用所述多元铝基钎料对母材进行焊接。