CN101554685A - 用于焊接铜和铝的高熵合金钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一。本发明还公开该种高熵合金钎料箔材的制备方法，通过分步熔炼，再应用单辊快速凝固装置制备，得到高熵合金钎料箔材。本发明的高熵合金钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与Al、Cu金属匹配性好、钎缝耐腐蚀性能良好，焊缝为单相fcc固溶体组织，无脆性金属间化合物产生，接头综合机械性能显著提高；该种高熵合金钎料的制备方法，工艺简单，制作成本低。

Description

用于焊接铜和铝的高熵合金钎料及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，本发明还涉及该种合金钎料的制备方法。

背景技术

铜资源的全球性稀缺问题引起了国际社会的强烈关注，寻找铜替代品已刻不容缓，铝的电、热学性能与铜较为接近，是合适的铜替代材料，我国是贫铜富铝之国，“以铝代铜”是发挥我国资源优势的最佳选择。“以铝代铜”的技术关键是解决铝与铜之间的焊接问题，铝铜焊接属于异种金属之间的焊接，其难度较大，由于两种金属的熔点、熔化潜热和线膨胀系数等均存在较大的差异，且相互之间易发生反应而形成硬脆的金属间化合物相，不仅影响接头的使用性能，而且极易导致热裂纹，使得铜铝金属接头的制作困难。

基于两种金属之间所存在的物理化学性能方面的较大差异，应尽量避免Cu/Al金属之间的熔化焊接，钎焊是母材不熔化，靠填充金属熔化后充满间隙，并与母材之间进行溶解和扩散的焊接方法，特别适合异种材料的焊接，而且焊件变形小、设备简单、操作简便，具备在现场进行焊接的优点。目前铝铜钎焊存在的主要问题是，使用传统锌基钎料(Zn-Sn-Cu、Zn-Al-Cu)和铝基钎料(Al-Si-Mn、Al-Zn-Si)容易在接头中形成易熔的脆性Al-CuAl₂共晶化合物相，导致接头强度降低。将待焊件表面作镀Ni处理后进行的间接钎焊可明显减少金属间化合物的生成，但该法对金属间化合物厚度的控制不易，所形成的Cu/Al异种金属接头性能往往不尽人意。

现有的一种单辊快速凝固装置，装置简单，使用方便，在制备合金箔材过程中得到了很好的应用。近年来，人们应用高新科技在钎料成分控制及成形技术方面进行了大量的研究，制备出了填缝能力强、焊接温度低的非晶微晶态钎料，钎接工艺性能得到很大的改观，然而，非晶微晶钎料也不能从源头上解决因金属间化合物产生而引起的接头脆化问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，该合金钎料能抑制Cu/Al之间的化学反应，防止形成硬脆的金属间化合物相CuAl₂，可以获得具有单相面心立方固溶体微结构的高性能的铜铝金属焊接接头。

本发明的另一目的在于提供上述合金钎料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一。

本发明所采用的另一技术方案是，一种上述用于焊接铜和铝的高熵合金钎料的制备方法，该方法按照以下步骤实施，

步骤A、熔配母合金：用高纯金属Ti、Al、Fe、Cu、Ni、Co、Sn、添加元素在超高真空电弧炉中熔配，具体步骤是：

A1、首先用硼酐将各种高纯金属进行净化处理，再按照原子百分比分别称量好各种高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一；

A2、将步骤A1称量好的各种高纯金属，按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Al、Fe-Co-添加元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2熔配好的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Al与Fe-Co-添加元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金Cu-Sn-Ni和Ti-Al-Fe-Co-添加元素；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Al-Fe-Co-添加元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料，把步骤A熔配好的高熵母合金放入坩埚中，坩埚底部开有缝隙式喷嘴，反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，使用高频感应设备加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机带动辊轮旋转，将辊面线速度控制在5～40m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝固，沿辊轮切线方向甩出，得到高熵合金钎料箔材。

本发明的高熵合金钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与Al、Cu金属匹配性好、钎缝耐腐蚀性能良好，焊缝为单相fcc固溶体组织，无脆性金属间化合物产生，接头综合机械性能显著提高；该种高熵合金钎料的制备方法，工艺简单，便于制作。

附图说明

图1是本发明中使用的装置的结构示意图。

图中，1、小真空室，2、坩埚，3、收集室，4、箔材，5、真空室，6、高频感应线圈，7、单相异步电机，8、辊轮，11、真空泵。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的高熵合金钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一。

在本发明的高熵合金钎料成分中，各化学元素的组成及含量限定原理在于：为了使焊缝金属获得高熵合金钎缝，防止Cu/Al接头出现脆硬的金属间化合物相的生成，保证钎接接头的机械性能，高熵钎料主元选择Ti-Al-Fe-Cu-Ni-Co多主元系合金，主要原因有：在焊接过程中，母材向钎料的溶解不可避免，因此钎料主元须含Al、Cu元素；铝与铜的钎焊性较差，钎料中需添加活性组元Ti；欲获得单相fcc固溶体钎缝，宜添加面心立方结构的合金元素Cu和Ni；Co和Fe为主要填料组元；通过在合金中添加Sn和其它元素(Bi、Ga、In或RE之一)，调节钎料熔点，改善钎料活性，细化晶粒，提高接头性能。

本发明的合金钎料用于Cu/Al及其合金的钎焊，由于高熵效应，能够有效抑制Cu/Al之间的化学反应，防止形成硬脆的金属间化合物相CuAl₂，从而获得具有单相面心立方固溶体微结构的高性能的铜铝金属焊接接头。

本发明的高熵合金钎料的制备方法，使用单辊快速凝固装置进行制备，该装置结构如图1所示，包括在真空室5内设置有由单相异步电机7传动的铜质的辊轮8，在辊轮8的正上方设置有高频感应线圈6，高频感应线圈6中设置有

的圆柱形的石英坩埚2，坩埚2的下端开有与辊轮8平行的0.3±0.05mm宽的缝隙式喷嘴，真空室5设置有真空泵11与外部连通；在真空室5的顶板上设置有小真空室1，小真空室1开有Ar气进口，小真空室1的底部与坩埚2的上端开口连通，在真空室5内的侧边设置有收集室3，制备出的箔材4进入收集室3中收集。高频感应线圈6的匝数根据需要制备复合箔材质的熔点及其相互间的温度差异绕制。选用角速度可调的单相异步电机7，能满足不同厚度箔材的制备需要。

本发明的高熵合金钎料的制备方法，使用上述装置按照以下步骤实施，

步骤A、熔配母合金：用高纯金属Ti、Al、Fe、Cu、Ni、Co、Sn、添加元素(Bi、Ga、In或RE)在超高真空电弧炉中熔配，各个高纯金属的纯度均为99.99％，具体步骤是：

A1、首先用硼酐将各种高纯金属进行净化处理，再按照原子百分比分别称量好各个高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一；

A2、将步骤A1称量好的各种高纯金属按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Al、Fe-Co-添加元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2熔配好的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Al与Fe-Co-添加元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Al-Fe-Co-添加元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用上述的单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料箔材，把步骤A4得到的高熵母合金放入坩埚2中，开启真空泵11，抽真空至0.02±0.005Pa后充高纯Ar气至1.0±0.05KPa；反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，开启高频感应线圈6加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机7带动辊轮8高速旋转，将辊轮8的辊面线速度控制在5～40m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮8的辊表面并瞬间急冷凝固，在离心力作用下沿辊轮切线方向甩出，落入收集室3中收集，形成高熵合金钎料箔材。

本发明的高熵合金钎料由Ti-Al-Fe-Cu-Ni-Co多主元合金组成，制作的高熵钎料箔材厚度为25～60μm，宽约3～7mm，长约1～2m。

用高熵合金钎料焊接铜与铝的试样接头装配时，先将箔材置于待焊铜材与铝材之间，然后按照常规真空钎焊方法对装配好了的接头进行加热、保温和凝固，实现铜与铝的钎焊连接。使用本发明的高熵合金钎料箔进行铜与铝接头的钎焊工艺简单，操作方便。

以下以具体实施例来进行说明。

实施例1：依照表1中的数据选取各组分元素及进行控制，按照以下步骤实施，

步骤A、熔配母合金：称取各高纯金属Ti、Al、Fe、Cu、Ni、Co、Sn、添加元素Bi，并在超高真空电弧炉中熔配，

A1、首先用硼酐将各种高纯金属进行净化处理，再按照表1中的原子百分比分别称量好各个高纯金属；

A2、将步骤A1称量好的各种高纯金属，按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Al、Fe-Co-添加元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2熔配好的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Al与Fe-Co-添加元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Al-Fe-Co-添加元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料箔材，把步骤A4得到的高熵母合金放入

的圆柱形坩埚中，坩埚底部开有0.3mm宽的缝隙式喷嘴，再将坩埚放置在位于辊轮顶部的高频感应线圈中，开启真空泵，抽真空至0.02±0.005Pa后充高纯Ar气至1.0±0.05KPa；反复“抽真空-充Ar气”过程3次之后，使用高频感应设备加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，5分钟后，开启电机，辊轮高速旋转，将辊面线速度控制在5m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝固，在离心力作用下沿辊轮切线方向甩出而形成高熵合金钎料箔材。

制备出厚约55μm的非晶态高熵合金钎料箔材，应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约131.2MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的73％。

实施例2：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在10m/s，可制备出厚约50μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约139.5MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的77.5％。

表1为各个实施例的数据表

组分含量及控制参数

Ti6-14

Al10-20

Fe10-20

Cu15-25

Ni10-18

Co6-14

Sn0.5-4.5

添加元素0.03-3.5

实施例1	13	17	20	25	10	14	0.97	取Bi为0.03
									实施例2	13	20	20	15	17	13.4	1.5	取Ga为0.1
实施例3	6	20	17	24	18	11	2.5	取In为1.5
									实施例4	14	10	20	20	15	13	4.5	取RE为3.5
实施例5	14	20	15	25	18	6	1	取RE为1
									实施例6	14	20	20	15	17	11	0.5	取In为2.5
实施例7	12	20	10	25	18	12	1	取Ga为2
									实施例8	13	20	18	22	10	14	2.94	取Bi为0.06

实施例3：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在15m/s，可制备出厚约45μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约135.3MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的75.2％。

实施例4：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在20m/s，可制备出厚约45μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约129.8MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的72.1％。

实施例5：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在25m/s，可制备出厚约40μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约130.2MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的72.99％。

实施例6：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在30m/s，可制备出厚约35μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约139.8MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的77.52％。

实施例7：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在35m/s，可制备出厚约30μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约134.3MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的75.1％。

实施例8：按照上述实施例1的步骤，依照表1中的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在40m/s，可制备出厚约25μm的非晶态高熵合金钎料箔材。应用该高熵合金钎料箔材，对T₂纯铜和6061铝合金进行焊接，接头拉剪强度约129.9MPa，达到6061铝合金名义强度(σ_b＝180MPa)的72.15％。

综上所述，本发明的高熵合金钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与Al、Cu金属匹配性好、钎缝耐腐蚀性能良好，焊缝为单相fcc固溶体组织，无脆性金属间化合物产生，接头综合机械性能显著提高；该种高熵合金钎料的制备方法，工艺简单，制作成本低，便于推广。

Claims (2)

1、一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，其特征在于：由以下组分按原子百分比组成：

总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一。

2、一种权利要求1所述高熵合金钎料的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤实施，

步骤A、熔配母合金：用高纯金属Ti、Al、Fe、Cu、Ni、Co、Sn、添加元素在超高真空电弧炉中熔配，具体步骤是：

A1、首先用硼酐将各种高纯金属进行净化处理，再按照原子百分比分别称量好各种高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一；

A2、将步骤A1称量好的各种高纯金属，按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Al、Fe-Co-添加元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2熔配好的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Al与Fe-Co-添加元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金Cu-Sn-Ni和Ti-Al-Fe-Co-添加元素；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Al-Fe-Co-添加元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料，把步骤A熔配好的高熵母合金放入坩埚中，坩埚底部开有缝隙式喷嘴，反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，使用高频感应设备加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机带动辊轮旋转，将辊面线速度控制在5～40m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝固，沿辊轮切线方向甩出，得到高熵合金钎料箔材。

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