5A06铝合金低形变扩散连接工艺及机理研究

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铝合金由于具有密度小、导热性及耐蚀性能良好等特点而被广泛应用于航空航天、电力电子、家用电器等重要结构中。随着现代化工业的快速发展,各种大型高功率设备的不断开发,整个工业领域对散热器件提出了更高的要求。6063铝合金由于具有良好的耐蚀性和焊接性而被广泛应用于散热器水冷板的制造中,但随着各种设备功率的不断提高,其耐蚀性已不能满足日益提高的工业需求。5A06铝合金的耐蚀性能更为优良,是未来可选的水冷板替代材料。目前水冷板加工的最先进方式为扩散连接,但5A06铝合金相较于6063铝合金熔点更低,容易在进行扩散连接时产生低温原子扩散动力不足而高温形变量过大的问题,因此本课题针对于这种情况通过采用中间层的方式在界面构建元素浓度梯度以降低工艺参数减小形变,并通过采用卡具的方式控制形变以实现形变率低于1%的致密连接。通过电子探针、金相光学显微镜、X射线衍射仪、热膨胀仪、高温动态弹性模量与阻尼系统、电子万能材料试验机等分析测试仪器对各工艺参数下的焊接试样进行了组织、性能分析。铝合金扩散连接压力一般较低,其形变主要来自蠕变,因此通过对不同温度、保温时间、压力参数下的5A06铝合金材料进行蠕变形变的探究,得到不超过1%的形变率工艺参数为T=460℃,t=1h,P=2MPa。且对5A06自身连接接头形貌进行探究,在形变率超标的情况下,依然未能形成良好接头,说明其扩散连接性能较差。通过采用Ag做中间层对5A06铝合金实现间接扩散连接,得到了Al/Al+Al(Ag、Mg)/Ag2Al/Ag/Ag2Al/Al+Al(Ag、Mg)/Al的扩散连接接头。但由于金属间化合物较脆,在接头中产生微裂纹,强度较低,最高为26.8MPa。此外由于Ag-Al之间电位差较大,在界面处发生了严重的电化学腐蚀。改进方案采用与Al电位较近的Ni做中间层进行5A06铝合金/Ni/5A06铝合金的扩散连接,并得到Al/Al3Ni/Al3Ni2/Ni/Al3Ni2/Al3Ni/Al结构的致密接头。由于接头强度受残余应力影响整体较低,最高为16.8MPa。对形成的Al3Ni2反应层进行了动力学参数计算,其生长激活能及指前因子分别为147.374KJ/mol,8.954×10-4m2/s。Ni做中间层的接头电化学腐蚀行为较Ag有了明显改善,但Al3Ni层形成的氧化物膜与界面处母材上氧化物膜产生开裂,不利于腐蚀产物对内部材料的保护。为解决异种中间层脆性产物生成及由于电位差引起的腐蚀问题,采用与母材同种材料的纯Al做中间层进行扩散连接,由于在界面构建了浓度梯度,相对直接连接改善了界面,形成了致密接头。但由于浓度梯度较低且不生成反应层实现间接连接,形成致密接头的工艺参数超出形变率为1%的范围。通过采用线膨胀系数低于5A06铝合金的304不锈钢对母材进行紧密装卡,利用升温过程因卡具和母材产生的膨胀差提供的压力作为焊接压力进行连接,在475℃,保温2h以上参数实现了致密连接,且形变量小于1%。接头强度随焊接温度和保温时间的提高也逐步增大,在490℃,保温3h时接头剪切强度达到61MPa,断口有明显韧窝特征。
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