表面活化Al2O3陶瓷与5005铝合金真空钎焊

焊 接 学 报

TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

Vol.39(11):078 − 082November 2018

表面活化Al2O3陶瓷与5005铝合金真空钎焊

朱永权， 张丽霞， 任 伟， 冯吉才

(哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨　150001)

摘 要： 采用Al-Si钎料对经过Ag-Cu-Ti粉末活性金属化处理的Al2O3陶瓷与5005铝合金进行了真空钎焊，研究了钎焊接头的典型界面组织，分析了钎焊温度对接头界面结构特征及力学性能的影响. 结果表明，接头典型界面结构为5005铝合金/α-Al+θ-Al2Cu+ξ-Ag2Al/ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu+Al3Ti/Ti3Cu3O/Al2O3陶瓷. 钎焊过程中，Al-Si钎料与活性元素Ti及铝合金母材发生冶金反应，实现对两侧母材的连接. 随着钎焊温度的升高，陶瓷侧Ti3Cu3O活化反应层的厚度逐渐变薄，溶解进钎缝中的Ag和Cu与Al反应加剧，生成ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu金属间化合物的数量增多，铝合金的晶间渗入明显；随钎焊温度的升高，接头抗剪强度先增加后降低，当钎焊温度为610 ℃时，接头强度最高达到15 MPa.

关键词： 活性金属化；真空钎焊；Al2O3陶瓷；抗剪强度

中图分类号：TG 454 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.2018390277

0 序　　言

氧化铝陶瓷具有良好的热传导性，较高的机械强度及优异的耐高温性能，在航空航天耐热和耐磨等方面应用广泛

[1-2]

5005铝合金的真空钎焊.

文中采用Al-Si钎料对利用Ag-Cu-Ti粉末进行金属化处理的Al2O3陶瓷与5005铝合金进行真空钎焊，研究了典型的接头界面组织及钎焊温度对界面组织形貌和接头力学性能的影响.

. 铝合金具有密度低，导电性良好，

机械强度高，耐蚀性良好等优点，是一种应用十分广泛的结构材料. 在实际应用中往往需要实现氧化铝陶瓷与铝合金的连接，充分发挥它们各自的优势.而在陶瓷与金属的连接中，钎焊是最有前途的方法之一，该方法操作简单、效率高、可批量生产，因此文中拟采用钎焊方法对氧化铝陶瓷与铝合金进行连接.

铝合金熔点低，且极易氧化生成致密的氧化膜，钎焊时氧化膜阻碍钎料的润湿，影响陶瓷和铝的直接反应；另一方面，二者的热膨胀系数差别较大，焊后残余应力导致无法形成可靠的接头

[7]

[4-6]

[3]

1 试验方法

试验所用的Al2O3陶瓷为多晶95瓷，焊接前，将Ag-Cu-Ti粉末均匀涂覆在Al2O3陶瓷表面，然后使陶瓷在真空中以880 ℃/10 min的工艺条件进行活性金属化处理. 陶瓷表面金属化后的界面形貌如图1所示.

，因

Al2O3Ag-Cu-Ti此焊前需要对陶瓷表面进行处理. 王颖首先利用TiH2+AgCu+B混合粉末处理陶瓷表面，然后在未采用其它钎料的条件下直接钎焊5005铝合金. 张德库等人采用化学镀镍方法对Al2O3陶瓷表面进行金属化，并用锡基钎料实现镀镍Al2O3陶瓷的钎焊. 徐富家等人利用Al-Si钎料和自制工艺罩内置Mg粉的方法，实现了化学镀镍Al2O3陶瓷与

CAB[8]

[9]

10 μm图 1 界面背散射像

Fig. 1 SEM BEIs of the interface

收稿日期：2017 − 06 − 18

基金项目：国家优秀青年科学基金资助项目(51522404)

对图1中各相进行了能谱分析，分析结果列于表1中. 根据文献[7]同时结合表1中能谱分析

第 11 期

朱永权，等：表面活化Al2O3陶瓷与5005铝合金真空钎焊

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结果可以知道，金属化后Al2O3表面形成连续的Ti3Cu3O层以及由Ag(s,s)和Cu(s,s)组成的Ag-Cu共晶区域 .

表 1 表面活性金属化 Al2O3 陶瓷界面能谱分析(原子分

数，%)

Table 1 EDS results of the active metallized Al2O3

位置OAlAgTiCu可能相A10.3412.700.6643.2133.09Ti3Cu3OB12.034.3471.071.3011.26Ag(s,s)C

0.59

6.22

2.04

2.47

88.68

Cu(s,s)

铝合金的牌号为5005，其标准化学成分如表2所示，该材料含有一定量的Mg元素. 试验用的钎料为Al-Si箔状钎料(4047)，为共晶合金系，熔化温度为 559~565 ℃，主要化学成分见表3所示.

表 2 5005铝合金母材的成分(质量分数，%)

Table 2 chemical compositions of 5005 Alloy

SiFeCuMnMgZnAl0.3

0.7

0.2

0.2

0.5~1.1

0.2

余量

表 3 4047钎料的成分(质量分数，%)

Table 3 chemical compositions of 4047 filler

SiFeCuMgZnAl11~13

0.8

0.25

0.1

0.2

其余

钎焊前，采用金刚石内圆切割机将Al2O3陶瓷加工成7.0 mm×3.0 mm×3.0 mm的试样，在丙酮中超声清洗5 min；通过电火花线切割将铝合金加工成10.0 mm×7.0 mm×5.0 mm和7.0 mm×7.0 mm×5.0 mm试样，分别用于抗剪强度测试和界面组织分析. 依次使用400，600，800号水磨砂纸去除铝合金表面氧化物等杂质，并用丙酮作为介质超声清洗5 min后干燥. 将Al-Si钎料箔置于陶瓷和5005铝合金待连接表面之间，升温速度15 ℃/min，升高到钎焊温度600~620 ℃后保温5 min，再以10 ℃/min的速度降到300 ℃，然后随炉冷却，炉内真空度高于 1.0×10−3

Pa. 采用扫描电镜(SEM，S-4007)观察界面组织及断口形貌；并用能谱仪(EDS，TN-4700)对反应产物进行能谱分析；用INSTRON MODEL 5569电子万能试验机评价接头抗剪强度.

2 试验结果与分析

2.1 典型接头组织特征

图2为钎焊温度600 ℃，保温时间5 min时获得Al/Al2O3接头界面组织照片，从图2a可以看出，焊后接头处钎料与两侧母材均发生良好的冶金反应. 为分析方便，将接头分为两个区域，如图2b，2c所示，Ⅰ区为钎料与铝合金的反应区域，在过度长大的铝基体上密集分布有呈针状的析出物G和渗入大块铝晶粒晶间的灰色E和白色F相. Ⅱ区是靠近陶瓷侧的连续反应层，由一层连续分布的A层、断续分布的黑色相B层、灰色相C和白色相D组成. 对图

2中各区域进行能谱分析，所得结果列于表4.

AlAl2O3IⅡ30 μm(a) 接头整体形貌 EGF10 μm(b) 铝合金侧界面 I 区DBAC10 μm (c) 陶瓷侧界面 II 区 图 2 600 ℃，5 min时接头界面背散射像

Fig. 2 SEM BEIs of joint brazed at 600 ℃/5 min

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第 39 卷

表 4 600 ℃/5 min Al-Si钎料真空钎焊接头能谱(原子分

数，%)

Table 4 600 ℃/5 min EDS results of the specimen

位置OMgAlSiAgTiCu可能相A11.851.4013.891.030.4142.2029.22

Ti3Cu3OB4.900.7356.2811.534.1420.841.58Al3TiC1.601.4866.985.20

0.83

0.6723.24

θ-Al2CuD4.765.9039.281.6741.340.686.37

ξ-Ag2AlE—0.0062.693.07

0.25

0.3733.62

θ-Al2CuF—5.6637.271.3245.853.856.05ξ-Ag2AlG

—

—78.48

—

15.85

—

5.67

α-Al+θ+ξ

[7]

由表4中的能谱结果和文献[9]分析可推断Ⅰ区渗入相分别为脆性金属间化合物E(θ-Al2Cu)和F相(ξ-Ag2Al)，G相成分较文献[9]组织含有更多的Ag和Cu元素，因此推断G相组织为α-Al+θ-Al2Cu+ξ-Ag2Al；Ⅱ区陶瓷侧的A层(即Ti3Cu3O)较焊前的厚度变薄，紧邻Ti3Cu3O层断续分布的黑色相B，灰色相C及白色相D分别为Al3Ti，θ-Al2Cu，ξ-Ag2Al. 综上所述，接头界面的结构为：5005铝合金/α-Al+θ-Al2Cu+ξ-Ag2Al/ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu+Al3Ti/Ti3Cu3O/Al2O3陶瓷.2.2 钎焊温度对接头的影响2.2.1 对接头界面组织的影响

图3是钎焊温度分别为600，610，620 ℃时得到的接头界面组织形貌照片. 可以看出，在600 ℃时，陶瓷侧Ti3Cu3O活化反应层的厚度较焊前变薄，溶解进钎缝中的Ag和Cu与Al反应生成ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu金属间化合物，渗入到Al晶界处；由于Al和陶瓷的线膨胀系数差异较大，接头较大的残余应力使陶瓷侧出现裂纹，如图3a所示. 当钎焊温度进一步升高，活化金属层与钎料反应加剧，Ti3Cu3O反应层厚度变薄，大量的ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu金属间化合物渗入Al晶界处，使得Al和金属间化合物均匀分布，Al3Ti较600 ℃相比，扩散到晶间增多，如图3b所示. 当钎焊温度升高至620 ℃时，Ti3Cu3O反应层厚度变得更薄，活化金属层与钎料的过度反应使ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu向铝合金晶界中渗入量过多，形成图3c所示的金属间化合物密集区，Al3Ti全部扩散到铝晶间，由于Ti元素含量较低，在背散射图像上很难被分辨出来.

随着钎焊温度的升高，Al2O3表面的Ti3Cu3O层反应加剧，大量的ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu向Al晶界中渗入，从而形成硬脆的金属间化合物密集区.

AlAl2O3θ-Al2Cuξ-AgTi3Cu3O2Alα − Al + ξ ξ裂纹20 μm(a) 600 ℃AlAl2O3Al3Tiξ-Ag2Alθ-Al2Cu20 μm(b) 610 ℃AlAl2O3θ-Al2CuTi3Cu3Oξ-Ag2Al10 μm (c) 620 ℃图 3 钎焊温度对接头界面结构的影响

Fig. 3 Interfacial microstructure of joints brazed at

different brazing temperature

2.2.2 对接头抗剪强度的影响

为评价钎焊温度对接头性能的影响，对接头抗剪强度进行测试. 结果表明：当保温时间固定为5 min时，随钎焊温度的升高，接头抗剪强度呈现先增加后降低的变化趋势，当钎焊温度为610 ℃时，接头抗剪强度达到最高值15 MPa. 结合前文钎焊温度对接头界面组织影响可知，钎焊温度较低时，界面反应不充分，特别是铝合金与Al2O3陶瓷之间较大的线膨胀系数差异使接头存在一定的残余应力，在二者的共同作用下，陶瓷开裂，接头抗剪强度较低；随着钎焊温度升高，钎料熔化效果变好，界面反应加剧，渗入到铝合金晶界的ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu金属间化合物增加，金属间化合物和Al均匀分布，在一定程度上缓解了接头残余应力，接头的抗剪

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强度升高；钎焊温度过高时，渗入到Al晶界的ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu金属间化合物明显增加，大片的硬脆金属间化合物在焊接热循环过程中发生开裂，在承载时该区域往往成为接头的薄弱区域，使接头强度降低.2.3 断口分析

图4为不同钎焊温度下接头断口组织形貌. 当钎焊温度600 ℃时，断裂发生在陶瓷基体上，为沿晶脆性断裂；随着温度升高到610 ℃时，断口如图4b，可以发现该断口分为A，B两种形貌区域，

对A，B进行放大观察如图4d，4e所示，A区域为铝晶粒晶间渗入区，B区域能谱分析(表5)显示，该区域含有α-Al和θ-Al2Cu金属间化合物，由此可知A为陶瓷侧金属间化合物层. 由此可知该参数下，接头断裂起始于钎缝，随后向陶瓷母材偏转，表明该参数下接头残余应力有所降低

[10]

. 由图4c可

知，当钎焊温度升高到620 ℃时，断裂主要发生在铝晶粒晶间渗入区C，较高的工艺参数使该区分布较多的硬脆金属间化合物，易于裂纹的萌生及扩展，因此接头的抗剪强度降低.

BCA20 μm(a) 600 ℃(b) 610 ℃100 μm(c) 620 ℃200 μm12200 μm10 μm(e) B 区放大

(d) A 区放大图 4 钎焊温度对接头断口形貌的影响

Fig. 4 Effects of brazing temperature on the microstructures of joint fracture

表 5 610 ℃/5 min Al-Si钎料接头断口能谱分析(原子分

数，%)

Table 5 610 ℃/5 min EDS of results of the specimen

Ti3Cu3O/Al2O3陶瓷.

(2)钎焊温度对表面活化Al2O3陶瓷和5005铝合金接头界面形貌的影响为：随钎焊温度升高，陶瓷侧Ti3Cu3O活化反应层的厚度逐渐变薄，金属化层中溶解进入钎缝的Ag和Cu与Al反应愈加剧烈，生成ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu金属间化合物的数量增多，铝合金的晶间渗入明显.

(3)钎焊温度对表面活化Al2O3陶瓷和5005铝合金接头力学性能的影响为：当保温时间固定为5 min时，随钎焊温度的升高，接头抗剪强度呈现先增加后降低的变化趋势，当钎焊温度为610 ℃时，接头抗剪强度达到最高值15 MPa.

(4)当钎焊温度较低时，接头主要断裂在陶瓷

位置12

O4.071.75

Al91.5553.74

Si0.103.03

Ag1.650.35

Ti0.250.32

Cu2.3740.81

可能相α-Alθ-Al2Cu

3 结　　论

(1)采用Al-Si钎料成功实现了表面活化Al2O3陶瓷和5005铝合金的可靠连接，当钎焊温度为600 ℃，保温时间为5 min时，接头界面结构为：5005铝合金/α-Al+θ-Al2Cu+ξ-Ag2Al/ξ-Ag2Al+θ-Al2Cu+Al3Ti/

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基体上；当钎焊温度升高时，裂纹起始于钎缝处并向陶瓷中发生偏转；当钎焊温度过高时，接头主要断裂在Al晶粒的晶间渗入区.参考文献：

[1]吴爱萍, 邹贵生, 任家烈, 等. 先进结构陶瓷的发展及其钎焊连

接技术的进展[J]. 材料科学与工程, 2002, 20(1): 104 − 106.Wu Aiping, Zou Guisheng, Ren Jialie, et al. Recent developmet ofadvanced structural ceramics and its brazing joining[J]. MaterialsScience & Engineering, 2002, 20(1): 104 − 106.

[2]熊华平, 毛建英, 陈冰清, 等. 航空航天轻质高温结构材料的焊

接技术研究进展[J]. 材料工程, 2013(10): 1 − 12.

Xiong Huaping, Mao Jianying, Chen Bingqing, et al. Research ad-vances on the welding and joining technologies of light-masshigh-temperature structural materials in aerospace field[J]. Materi-als Engineering, 2013(10): 1 − 12.

[3]Staley J T, Liu J, Hunt W H, et al. Aluminum alloys for aerostruc-tures[J]. Advanced Materials & Processes, 1997, 152(4): 17 − 20.[4]王　波, 宁晓山, 李　莎. 铝与氧化铝陶瓷表面金属化连接工艺

研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2011(40): 518 − 521.

Wang Bo, Ning Xiaoshan, Li sha. A new process for bonding Alto Al2O3 ceramics[J]. Rare Metal Material and Engineering,2011(40): 518 − 521.

[5]李飞宾, 吴爱萍, 邹贵生, 等. 高纯氧化铝陶瓷与无氧铜的钎焊[J].

焊接学报, 2008, 29(3): 53 − 56.

Li Feibin, Wu Aiping, Zou Guisheng, et al. Brazing between highpurity alumina ceramic and oxygen-free copper[J]. Transactionsof the China Welding Institution, 2008, 29(3): 53 − 56.

[6]陈　波, 熊华平, 毛　唯, 等. 采用Au基钎料真空钎焊Al2O3陶

瓷[J]. 焊接学报, 2016, 37(11): 47 − 50.

Chen Bo, Xiong Huaping, Mao Wei, et al. Vacuum brazing ofAl2O3 ceramic using Au-based brazing filler[J]. Transactions ofthe China Welding Institution, 2016, 37(11): 47 − 50.

[7]王　颖. Al2O3陶瓷的反应金属化及其与5A05合金扩散钎焊

机理研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2010.

[8]张德库, 王克鸿, 应飘飘. Al2O3陶瓷表面化学镀镍工艺及其低

温连接[J]. 焊接学报, 2007, 28(1): 69 − 72.

Zhang Deku, Wang Kehong, Ying Piaopiao. Electroless nickelplating on Al2O3 ceramics and it’s bonding in low temperature[J].Transactions of the China Welding Institution, 2007, 28(1): 69 −72.

[9]徐富家, 张丽霞, 冯吉才, 等. Al2O3陶瓷与5A05铝合金的间接

钎焊工艺[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(3): 463 − 468.Xu Fujia, Zhang Lixia, Feng Jicai, et al. Process of indirect braz-ing alumina to 5A05 Al alloy[J]. Transactions of the China Weld-ing Institution, 2010, 20(3): 463 − 468.

[10]宋晓国. TiAl合金与Si3N4陶瓷钎焊工艺及机理研究[D]. 哈尔

滨：哈尔滨工业大学, 2012.

作者简介：朱永权，男，1992年出生，硕士研究生. 主要从事钎焊、新

材料连接的研究. Email：hitzhuyongquan@126.com

通讯作者：张丽霞，女，博士，教授. Email：zhanglxia@hit.edu.cn