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(yàn)

　　針對(duì)鋁合金無法直接烙鐵釬焊的問題，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(jié)合的技術(shù)在2024鋁合金表面制備Cu膜，并實(shí)現(xiàn)了鋁合金的低溫釬焊。實(shí)驗(yàn)中通過改變基體偏壓，研究不同參數(shù)對(duì)Cu膜的沉積速率、表面形貌、相結(jié)構(gòu)以及低溫釬焊性能的影響。結(jié)果表明：隨著偏壓幅值的增大，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(xiàn)出較強(qiáng)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(dāng)偏壓為-300V時(shí)，所得釬焊接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)24147MPa，接頭斷口微觀形貌呈現(xiàn)出局部拉長且方向一致的韌窩。

　　鋁及鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)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(yīng)用，而鋁合金的焊接方法和工藝對(duì)鋁合金的廣泛應(yīng)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400℃。然而，在焊接固體制冷器、飛機(jī)點(diǎn)火器、空用制冷機(jī)、超流氦杜瓦等工件的特殊部位時(shí)需要采用低溫釬焊。為了解決以上問題，一些學(xué)者通過電鍍化學(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(jié)合力不好的問題，釬焊接頭強(qiáng)度不高。

　　研究表明，Ti作為過渡層可改善膜基結(jié)合力，本文采用離子注入技術(shù)與磁控濺射鍍膜結(jié)合的方法對(duì)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(duì)薄膜沉積速率、表面形貌、相結(jié)構(gòu)以及低溫釬焊性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)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(yàn)是在本實(shí)驗(yàn)室自制的復(fù)合等離子體表面處理裝置上進(jìn)行的。當(dāng)本底真空度達(dá)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，通過負(fù)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(duì)鋁合金試樣進(jìn)行Ti離子注入，希望增加膜基結(jié)合力，離子注入工藝參數(shù)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(fù)偏壓。脈沖偏壓頻率為40kHz，占空比為30%。

表1 Ti離子注入?yún)?shù)

Ti離子注入?yún)?shù)

　　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(duì)試樣的截面形貌進(jìn)行觀察，同時(shí)測(cè)量膜層厚度，并計(jì)算Cu膜的沉積速率。通過美國Bruker AXS DimensionIcon型原子力顯微鏡(AFM)對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行分析，并結(jié)合德國Bruker D8 Advancex型X射線衍射(XRD)儀對(duì)試樣的成分和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。利用OLYMPUSPMG3金相顯微鏡觀察Sn-Pb釬料在試樣表面的潤濕形貌。采用Sn-Pb釬料對(duì)試樣進(jìn)行烙鐵釬焊試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣按照?qǐng)D1的形式進(jìn)行搭接。采用美國Instron5569型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，拉伸移動(dòng)速度為0.5mm/s。為了確保接頭剪切強(qiáng)度的準(zhǔn)確性，同一工藝選用三個(gè)焊接試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，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(jié)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(jié)構(gòu)以及低溫釬焊性等性能特點(diǎn)，結(jié)果如下：

　　(1)不同偏壓下Cu膜的相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化，都表現(xiàn)出很強(qiáng)的(111)衍射峰。隨著負(fù)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(xiàn)了低溫下鋁合金烙鐵釬焊，接頭的最高剪切強(qiáng)度可達(dá)24.47MPa。隨著偏壓的增大，接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

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