[发明专利]一种铝基复合材料及铝合金用钎料及钎焊方法

说明书

技术领域：

本发明涉及铝基复合材料及铝合金的Zn基低熔点钎料配方改进及其钎焊工艺的改进，开发了免钎剂低熔点Zn-Al-Mg系三元活性钎料配方，以及为之配合使用的低频低幅摩擦辅助的活性钎焊方法。 

背景技术：

众所周知，铝基复合材料及铝合金的钎焊均需解决的首要问题是如何有效除去铝基体表面的氧化膜。目前破除铝合金或铝基复合材料基体表面的氧化膜的方法有三种：(1)化学方法，如钎剂[1]、在焊接前用化学试剂清洗[2]、钎料中添加活性元素[3]等方法；(2)物理方法，如真空环境[4]、利用膜下液化原理[5]、电镀表面改性[2，6]等；(3)机械方法，如利用机械刮擦方法[7]、钢丝刷[2]、以及超声波的空穴作用(Ultrasonic cavitation effect)[8]等。这些方法各有千秋，其中常用钎剂去膜钎焊、真空钎焊、液相扩散焊(附加或不附加超声振动)，需根据复合材料母材、钎料合金系的活性、母材溶解难易、合金化后液相粘度及流动性优劣、钎焊温度等因素综合选择。 

在目前已经报道的钎料中，用于焊接铝合金及铝基复合材料的中低温钎料可以分为三类： 

(1)Al-Si-Cu系钎料[4，9，10]，如Al-28Cu-5Si[9]、Al-20Cu-5Si-2Ni[10]、Al-20Cu-3.3Ni-10Si[10]、Al-28Cu-5Si-2Mg[4]、Al-7Si-20Cu-2Sn-1Mg[4]、Al-6Si-30Cu-20Zn[9]等钎料，这些钎料的熔点都在450～550℃之间，而焊接温度都在550℃以上，这就要求铝合金基体熔点较高，高的焊接温度也会破坏铝基复合材料中陶瓷相与铝合金基体之间的界面；而且需要使用钎剂或在真空环境下焊接，若使用钎剂则焊接接头的抗腐蚀性差，若需要真空环境则焊接成本高； 

(2)Zn-Al系[1]，Zn-Al-Cu系[7]和Al-Ge系[11]，如Zn-5Al[1]、Zn-20Al[12]、Zn-28Al[13]、Al-4.5Si-40Zn[14]、Zn-20Al-15Cu、Zn-4Al-3Cu-1Mg[7]、Al-45Ge[11]、Al-45Ge-2Si[11]等钎料，这些钎料的熔点都在370～450℃之间，焊接温度可以控制在550℃以下，但是这些钎料需要使用钎 剂或大压力或者超声波辅助下进行焊接，这就对设备的要求很高，增加焊接工序或者焊接成本；而且其中含Cu、Ag或Ge钎料成本更高； 

(3)Sn-Zn系[15]，Sn-Pb系[6]，Sn-Ag-Ti系[16]以及Zn-Cd系[17]，如Sn-9Zn[15]、Sn-37Pb[6]、Sn-10Ag-4Ti[16]、Zn-39Cd[17]等钎料，其熔点都在150℃～370℃之间，焊接温度一般不超过450℃，但是焊接时必须使用钎剂或超声波辅助来破去铝基体表面的氧化膜；Sn基钎料焊接接头的耐腐蚀性能差；对含有毒元素Cd的Zn-Cd系钎料会威胁到人身安全及环境。 

考虑到焊接过程中尽可能的减少母材组织的影响(如对固相线分别为500℃的2024与475℃的7075铝合金需防止铝合金基体熔化与过时效；对经剧烈挤压变形所得铝基体晶粒需防止粗化)，这就需要研发低熔点钎料，并在尽可能低的温度下进行焊接。在低温钎焊领域，目前多用Zn基低熔点钎料，如已报道的Zn-5Al[1]和Zn-5Al-3Cu[7]的熔点分别为360℃～430℃和385℃～400℃，同时在低温钎焊时，为顺利去膜并改善润湿性，钎剂[1]的使用，特别是超声波振动[7]的使用报道较多。相对而言，尽管活性元素(Ti)在铝基复合材料高温活性液相扩散焊(610℃)中具有能加速破除铝基体表面氧化膜的功效已被申请者所在课题组证实[18，19]，但活性元素在低温钎焊中能否顺利实现去膜反应仍是一研究空白点，其潜力有待深入研究。特别是对于常用Zn-Al类的二元钎料，申请者在前期研究中已证实当不使用钎剂也不导入超声波振动时，Zn-5Al二元共晶钎料对母材溶解难以均一进行，导致膜下液化不充分、不均匀(仅在极个别位置出现溶蚀)；当钎料足量时Zn虽能渗入复合材料基体但界面间隙仍未被消除，界面润湿性很差[20]。基于上述分析，申请者试图通过向低熔点Zn-Al系钎料中添加活性元素(Mg)以新增反应去膜(化学机制)并强化膜下液化去膜(物理机制)的双重机制获得对铝基体较为理想的润湿性。