典型含镁铝合金中温钎焊中CsF-AlF3活性钎剂去膜机理研究

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采用含铯盐氟化物钎剂辅助的中温钎焊技术,是实现含镁铝合金钎焊连接的具有广阔应用前景的方法。但含镁铝合金,尤其是含镁量大于2.0wt.%的铝合金,钎焊时表面易形成富镁氧化膜,铯盐钎剂由于活性不足,去膜性能较差,该类铝合金钎剂钎焊性能不佳。研究含镁铝合金表面氧化膜结构,分析铯盐钎剂去膜机制,从而开发适当的活性钎剂,对改善含镁铝合金钎焊性能、促进铝合金钎焊技术应用具有重要意义。本文主要研究工作和结论如下:(1)5052铝合金在中温钎焊时表面氧化膜的结构。铝合金的Mg元素极大的影响表面氧化膜的结构及其钎焊性能。为了解含镁铝合金氧化膜的成分和物相,本文选择含镁量大于2.0wt.%的铝合金中典型的5052铝合金,采用光电子能谱技术和透射电镜对其表面氧化膜结构进行试验研究,并对其氧化膜转变的热力学进行计算分析。研究结果表明,在室温下,抛光后的5052铝合金试样表面氧化膜主要是Al2O3。在中温钎焊条件下加热后,5052铝合金试样表面出现了Mg元素的富集和氧化,表面氧化膜主要由两层组成,表层为MgO,内层为MgO加上少量弥散分布的MgAl2O4。5052铝合金钎焊时需要去除的氧化膜物相是MgO和MgAl2O4相。(2)CsF-AlF3钎剂与含镁铝合金氧化膜之间的作用机理。利用密度泛函理论,建立钎剂中F离子在γ-Al2O3和MgO表面的吸附模型,计算分析了吸附能、电子态密度和差分电荷密度。研究结果表明,与F离子在γ-Al2O3氧化膜表面易于发生化学吸附和置换反应,导致晶格碎裂,从而实现溶解去膜的机制不同,当F离子在MgO表面吸附时,随着吸附覆盖度增加,吸附能反而增加,吸附强度逐渐减小,导致F离子难以置换O离子,限制了后续溶解反应的进行。因此,CsF-AlF3钎剂难以通过反应、溶解的方式去除以MgO为主相的含镁铝合金氧化膜。(3)CsF-AlF3活性钎剂的开发。从重金属离子、络合离子、稀土元素离子等活性剂中,选取ZnCl2、ZnF2、BiCl3、SnCl2、(NH4)2GeF6、ZrF4、CeF3等七种典型化合物做为添加活性物质,制备CsF-AlF3活性钎剂,并分析了钎剂活性的影响规律。研究结果表明,上述活性物质中,ZnCl2和Zr F4是对含镁铝合金表面氧化膜有效的界面活性剂,其中ZrF4具有较好的活性且无腐蚀性,它是通过松脱机制来去除以MgO为主相的含镁铝合金表面氧化膜的。活性物质添加量对钎剂活性有很大的影响,添加浓度为4-6 mol.%时钎剂活性达到最佳。(4)典型含镁铝合金钎焊试验。为验证开发活性钎剂在钎焊中的实际应用效果,对三种典型含镁铝合金5052、5083、6061铝合金进行了钎焊工艺试验。试验结果表明,在活性钎剂作用下,采用Zn-15Al钎料在中温钎焊温度下得到了成型良好、结合紧密的钎焊接头,钎焊接头强度均超过100MPa。钎焊得到的钎缝组织主要由α-Al相、β-Zn相、(α+β)共晶相和共析组织组成。
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