鋁合金表面磁控濺射Cu膜的鍍制及其低溫釬焊性能研究

2014-03-16 楊 波 哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗

　　針對鋁合金無(wú)法直接烙鐵釬焊的問(wèn)題，本文提出了一種表面改性焊接的新方法：采用離子注入與磁控濺射相結合的技術(shù)在2024鋁合金表面制備Cu膜，并實(shí)現了鋁合金的低溫釬焊。實(shí)驗中通過(guò)改變基體偏壓，研究不同參數對Cu膜的沉積速率、表面形貌、相結構以及低溫釬焊性能的影響。結果表明：隨著(zhù)偏壓幅值的增大，Cu膜的沉積速率逐漸下降，表面粗糙度先降低后增大，Cu膜呈現出較強的(111)擇優(yōu)取向；Cu膜的鍍制改善了鋁合金的低溫釬焊性能，當偏壓為-300V時(shí)，所得釬焊接頭剪切強度可達24147MPa，接頭斷口微觀(guān)形貌呈現出局部拉長(cháng)且方向一致的韌窩。

　　鋁及鋁合金具有密度小、比強度高、導熱快等優(yōu)點(diǎn)，在航天、航空、電子及軍事工業(yè)中得到廣泛應用，而鋁合金的焊接方法和工藝對鋁合金的廣泛應用起到了非常重要的作用。釬焊具有焊件變形小，接頭外形美觀(guān)等特點(diǎn)，適用于鋁合金及與其它異種材料的連接。目前，鋁合金常用釬料熔點(diǎn)較高，如A-lSi和Zn-Al釬料，熔點(diǎn)均超過(guò)400℃。然而，在焊接固體制冷器、飛機點(diǎn)火器、空用制冷機、超流氦杜瓦等工件的特殊部位時(shí)需要采用低溫釬焊。為了解決以上問(wèn)題，一些學(xué)者通過(guò)電鍍化學(xué)鍍、物理氣相沉積等方法在鋁合金表面鍍膜后焊接，這樣可以采用Sn基釬料焊接鋁合金。但是上述方法存在膜基結合力不好的問(wèn)題，釬焊接頭強度不高。

　　研究表明，Ti作為過(guò)渡層可改善膜基結合力，本文采用離子注入技術(shù)與磁控濺射鍍膜結合的方法對鋁合金進(jìn)行表面改性，主要考察了磁控濺射鍍膜中基體偏壓對薄膜沉積速率、表面形貌、相結構以及低溫釬焊性能的影響。

1、實(shí)驗方法

　　1.1、薄膜制備

　　基體材料采用尺寸為30mm×10mm×115mm的2024鋁合金片。試樣通過(guò)化學(xué)清洗后，用去離子水洗凈并快速吹干，放置到真空室中。鋁合金表面改性實(shí)驗是在本實(shí)驗室自制的復合等離子體表面處理裝置上進(jìn)行的。當本底真空度達到5×10-3 Pa時(shí)，通入純Ar(純度為99.999%)，利用射頻電源形成輝光放電，通過(guò)負脈沖偏壓濺射清洗樣品表面30min。其中偏壓峰值為1000V，占空比為30%。在磁控濺射沉積Cu薄膜之前采用金屬蒸氣真空弧(MEVVA)源對鋁合金試樣進(jìn)行Ti離子注入，希望增加膜基結合力，離子注入工藝參數如表1所示。磁控濺射沉積Cu薄膜時(shí)，濺射電流為0.6A，濺射電壓約為400V，沉積時(shí)間為70min。制備Cu薄膜的過(guò)程中，靶和基片間距為100mm，工作氣壓保持在0.5Pa。在鍍膜的同時(shí)，基片上分別施加100-400V的負偏壓。脈沖偏壓頻率為40kHz，占空比為30%。

表1 Ti離子注入參數

Ti離子注入參數

　　1.2、薄膜表征

　　采用FEI公司的Quanta200F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣的截面形貌進(jìn)行觀(guān)察，同時(shí)測量膜層厚度，并計算Cu膜的沉積速率。通過(guò)美國B(niǎo)ruker AXS DimensionIcon型原子力顯微鏡(AFM)對試樣表面形貌進(jìn)行分析，并結合德國B(niǎo)ruker D8 Advancex型X射線(xiàn)衍射(XRD)儀對試樣的成分和相結構進(jìn)行研究。利用OLYMPUSPMG3金相顯微鏡觀(guān)察Sn-Pb釬料在試樣表面的潤濕形貌。采用Sn-Pb釬料對試樣進(jìn)行烙鐵釬焊試驗。實(shí)驗時(shí)，試樣按照圖1的形式進(jìn)行搭接。采用美國Instron5569型萬(wàn)能材料試驗機進(jìn)行拉剪試驗，拉伸移動(dòng)速度為0.5mm/s。為了確保接頭剪切強度的準確性，同一工藝選用三個(gè)焊接試樣進(jìn)行拉剪試驗，而后取其平均值。

釬焊接頭示意圖

圖1 釬焊接頭示意圖

3、結論

　　利用離子注入與磁控濺射技術(shù)在鋁合金表面制備Cu膜，并研究了不同的基體偏壓下薄膜的沉積速率、表面形貌、相結構以及低溫釬焊性等性能特點(diǎn)，結果如下：

　　(1)不同偏壓下Cu膜的相結構沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，都表現出很強的(111)衍射峰。隨著(zhù)負偏壓的增大，Cu膜表面均方根粗糙度先變小后增大，而沉積速率逐漸減小。

　　(2)實(shí)現了低溫下鋁合金烙鐵釬焊，接頭的最高剪切強度可達24.47MPa。隨著(zhù)偏壓的增大，接頭強度呈現出先增大后減小的趨勢。

　　(3)在焊縫處斷裂時(shí)，接頭表現出最高的強度，并且斷面微觀(guān)形貌呈現出局部拉長(cháng)且方向一致的韌窩。