论文部分内容阅读
碳化物/金属复合材料由于结合了碳化物陶瓷的高硬度、耐热、耐腐蚀和金属优良的塑韧性等特点,具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。如SiCp-Al复合材料因具有热膨胀系数可调、热导率较高,且密度低、强度高,被广泛用作电子封装材料;WC-Co系硬质合金由于结合了WC和Co金属的性能优点,被主要用于刀具、模具和采矿类产品。本文选择了高体积分数(70 vol.%)SiCp-Al和WC-8Co硬质合金两种典型碳化物/金属复合材料,通过复合材料表面金属化、高温润湿和钎焊等一系列实验对其开展研究。借助于扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等技术手段系统研究了合金钎料、润湿界面和钎焊接头的显微结构、微量化学以及相组成等,同时考察了钎焊接头的剪切强度与断裂行为,并分析它们的润湿和钎焊机理。得出以下主要结论或结果:Al-20Cu-6Si合金钎料主要由Al2Cu、Al2Si和α(Al)相组成,而在其中添加一定量的Mg后,由于Mg和Si的相互作用,形成了Mg2Si新相。Al-20Cu-6Si-(0,1,3,5)Mg合金的液相线温度分别为534.3、531.9、529.8和531.4°C。自制Cu合金的相组成主要为α(Cu)固溶体,而Cu-18Ni-10Al合金中出现了NiAl金属间化合物。随着Cu-Ni-Al合金中Al含量从2.5 wt.%、5 wt.%增加至10 wt.%,合金的液相线从1202、1186降低至1176°C。70%SiCp-Al复合材料的表面化学镀Ni层呈均匀的胞状结构,且随着镀液中的SiC浓度从0增加到3、6和9 g/L,镀层的表面粗糙度从97 nm增加到419、436和457 nm,这是由于当镀液中添加SiC颗粒时,SiC颗粒充当了形核剂的作用,导致晶粒尺寸逐渐减小,粗糙度增加。当镀层经过400°C热处理后,镀层由初始的非晶态转化为晶态,并伴有Ni3P新相产生。镀层中的SiC颗粒通过降低镀层与基体之间热膨胀系数的差异,来减小两者之间的热应力,从而显著改善镀层与基体之间的结合力。经过200°C热处理后,镀层与基体之间结合力最高,其临界载荷(Lc)达84.9 N。在580°C时,Al-Cu-Si(-Mg)钎料与70%SiCp-Al复合材料之间的接触角均大于90°,这主要归因于熔融铝合金表面Al2O3氧化膜的存在。随着Al合金中Mg含量的增加,由于Mg与Al2O3氧化膜的相互作用,Al合金与复合材料之间的润湿性有所改善。纯Sn、Sn-3.5Ag和Sn-3.5Ag-0.5Cu与预镀SiCp-Al复合材料之间的接触角随着镀层中SiC含量的增加而增大,且在Ni-P-9SiC镀层上均表现出不润湿。纯Sn、Sn-3.5Ag和Sn-3.5Ag-0.5Cu与Ni-P(-0,3,6)SiC镀层之间的反应层主要由Ni-Sn-P和Ni-Sn或Cu-Ni-Sn组成,而它们与Ni-P-9SiC镀层的反应产物均只为Ni-Sn-P。当采用Al-20Cu-6Si(-0,1,3)Mg钎焊70%SiCp-Al复合材料时,焊接界面会出现较多的未焊合区,而采用Al-20Cu-6Si-5Mg为钎料时,钎焊接头强度达75 MPa。当采用Sn-3.5Ag-0.5Cu钎焊Ni-P(-3SiC)/SiCp-Al复合材料,在焊接界面均形成界面反应层,其钎焊接头剪切强度分别为30 MPa和38 MPa。商用纯Cu、Ag-28Cu合金与自制的三种Cu-Ni-Al合金在硬质合金表面均表现出良好的润湿性。对于纯Cu和Ag-28Cu合金,其润湿界面没有出现明显的反应层。而对于Cu-Ni-Al/WC-8Co润湿体系,由于Cu合金中的Cu、Ni和Al与硬质合金中的Co发生了强烈的相互作用,硬质合金衬底出现了较为明显的退化层。Cu-19Ni-5Al合金在镀Ni后的硬质合金上仍表现出优良的润湿性(接触角θ≈10°),且镀Ni层厚度的增加可明显降低硬质合金衬底的退化。当采用纯Cu钎焊硬质合金与钢时,在中间层/硬质合金界面出现了含有Fe、Co和Cu的过渡层,而采用Ag-28Cu合金作为钎料时,钎焊界面没有出现明显的反应层。当采用Cu-Ni-Al合金为钎料时,焊缝中出现了富含Al、Ni和Co的β+γ相。由于硬质合金中的Co大量进入焊缝中,导致靠近焊缝的硬质合金中均会出现退化层,且退化程度随着Cu合金中的Al含量增加而变得更严重。硬质合金经镀Ni处理可显著改善硬质合金的退化,这是由于镀Ni层中的Ni与钎料中的Al的强烈相互作用导致Al的消耗,从而减少了硬质合金中的Co的扩散,且随着硬质合金镀Ni层厚度、钎焊温度和保温时间的增加,中间层/硬质合金界面处的β+γ相厚度逐渐增加,而位于中间层/钢界面的β+γ相逐渐变薄,甚至消失。当采用Cu和Ag-28Cu为钎料时,硬质合金/钢接头的断裂位置均发生在中间层,剪切强度分别为172 MPa和136 MPa。而采用Cu-19Ni-5Al为钎料,且在1210°C×7.5 min钎焊时,接头剪切强度大于200 MPa,其断裂路径贯穿中间层、中间层/硬质合金界面和硬质合金退化层,表现出混合的韧性-脆性断裂模式。对于经镀Ni处理的硬质合金,当采用1210°C×5 min的钎焊工艺,且镀Ni层厚度约为78μm时,接头强度达328 MPa,同样其接头断裂路径贯穿中间层、中间层/硬质合金界面和退化层。