王 鵬，高 增，李 強，程東鋒，田金峰，牛濟泰,2,3

（1.河南理工大學材料學院，焦作454000; 2.先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱150001；3.河南晶泰航空航天高新材料科技有限公司，焦作454000）

0 引 言

SiC顆粒增強鋁基復合材料（SiCp/Al）因具有高的比強度、比剛度、比模量，抗輻射和較小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點而被廣泛應用于航空航天、武器裝備和電子等行業(yè)[1-2]，尤其在相控陣雷達T/R模塊電子封裝領域，高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料集質(zhì)輕、尺寸穩(wěn)定性好、耐高溫等優(yōu)良特性于一身，成為傳統(tǒng)電子封裝材料的替代品[3-4]。目前，SiCp/Al復合材料常用的焊接方法有熔化焊[5-6]、擴散焊[7]、釬焊[8]等，但采用常規(guī)的熔化焊很難形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，而高能量密度激光及電子束焊[9]又不能克服過量的界面反應問題，擴散焊則易在施焊時由壓力造成SiC顆粒的破壞。真空釬焊在真空環(huán)境下施焊，無需加入釬劑，避免了復雜的焊劑清洗工序，降低了生產(chǎn)成本；而且，真空釬焊的加熱時間短，加熱溫度低，對增強體不會造成較大的損失，被認為是焊接復合材料最有效的方法之一。然而基體合金和SiC顆粒的物化性能存在較大差異，這嚴重影響了釬料對它們的潤濕鋪展；而且焊后較低的氣密性也阻礙了SiCp/Al復合材料在電子封裝中的應用。有研究表明，通過真空加壓釬焊以及復合材料表面金屬化[10]可改善SiCp/Al復合材料的焊接性和氣密性。鑒于此，作者對含有60%（體積分數(shù)）SiCp的SiCp/6063Al復合材料（記為60%SiCp/6063Al復合材料）表面分別進行鍍鎳與鍍銅處理，然后采用箔狀釬料（鋁-銅-鎂共晶釬料）對復合材料進行真空加壓釬焊，研究了鍍鎳和鍍銅對復合材料釬焊后剪切強度的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為采用壓力浸滲法制備的SiCp體積分數(shù)60%的SiCp/6063Al復合材料，其抗彎強度為390 MPa。由圖1可見，復合材料中的SiCp增強相呈不規(guī)則多邊形，平均粒徑為60μm。釬料為鋁-銅-鎂共晶箔狀釬料，其固-液相線為505～550℃，釬料厚度為50～60μm，韌性良好，可加工成卷。

圖1 SiCp/6063Al復合材料的顯微組織Fig.1 The microstructure of the SiCp/6063Al compsites

采用數(shù)控電火花線切割方法將SiCp/6063Al復合材料加工成尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的試樣。由于復合材料表面存在Al2O3膜、油污等雜質(zhì)，焊前必須進行預處理[10-11]。預處理流程如下(下述所用水均為蒸餾水)：砂紙粗磨→水洗→超聲波水洗15 min→超聲波丙酮清洗10 min→質(zhì)量分數(shù)為7%的NaOH溶液腐蝕20 s→超聲波水洗5 min→電凈5 s→超聲波酒精清洗5 min→取出、冷風吹干待焊。此時可獲得具有活性的預處理試樣，其表面呈灰亮色；然后按照作者課題組研發(fā)的電刷鍍鍍銅工藝和化學鍍鍍鎳工藝分別對部分預處理復合材料進行表面金屬化處理，復合材料表面覆蓋有一層厚度約20 μm的銅或鎳。

然后在ZHS-60型真空釬焊爐中分別對金屬化處理前后的復合材料進行真空加壓釬焊，釬焊壓力約4 kPa，真空度為1×10-3Pa；釬焊接頭均采用單面搭接形式，搭接長度為8～10 mm，釬焊夾具見圖2，30 min升溫至570℃，分別保溫10，30，50，70 min后隨爐冷卻至100℃，即完成釬焊試驗。將未處理過的復合材料、表面鍍銅復合材料、表面鍍鎳復合材料釬焊后的接頭分別記為1#、2#、3#釬焊接頭。

圖2 加壓釬焊夾具示意Fig.2 Schematic diagram of jig for brazing in pressure

剪切試驗在IIC-MST-100型電子萬能材料拉伸試驗機上進行，試驗溫度為室溫，拉伸速度為0.2 mm·min-1；采用HITACHI S-4700型掃描電子顯微鏡觀察鍍層及接頭的形貌，并用電鏡附帶的能譜儀（EDS）進行微區(qū)成分分析；鍍層與基體的結(jié)合情況在WS-2005型涂層附著力自動劃痕儀上進行測試，試驗采用動載荷（100 N）和聲發(fā)射結(jié)合的方式。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鍍金屬后復合材料的表面形貌

對比圖3（a）和圖4（a）可見，復合材料表面的鍍鎳層和鍍銅層的厚度相當，約為20 μm，但鍍銅層較鍍鎳層更加平整、均勻。

對于表面鍍鎳復合材料，在SiC/Al界面處初期沉積物鎳首先按鋁的晶格外延生長出現(xiàn)微晶層，隨后吸附原子擴散遷移、碰撞結(jié)合并與界面上的SiC晶格匹配生長，晶粒不斷長大形成半圓形的粒子[11]，粒子堆積并向各個方向生長，使基體表面覆蓋一層連續(xù)的金屬鎳層，如圖3（b）所示；在多個粒子的交界面常存在應力，易造成孔洞缺陷，因“毛細作用”反而提高釬料的潤濕效果。通過劃痕試驗可知，鍍鎳層沒有從基體表面剝落，表明與基體結(jié)合緊密，如圖3（c）所示。

圖3 SiCp/6063Al復合材料表面鍍鎳后的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of SiCp/6063Al composite after plating nickel:(a) section morphology;(b) surface morphology and(c) scratch morphology

圖4 SiCp/6063Al復合材料表面鍍銅后的SEM形貌Fig.4 SEM morphology SiCp/6063Al composites after plating copper:(a) section morphology;(b) surface morphology and(c) scratch morphology

鍍銅層表面較平整、均勻、細密，沒有出現(xiàn)圓形粒子堆砌的現(xiàn)象，如圖4（b）所示，這是電刷鍍單向重復運動的工藝特點決定的，電刷鍍具有沉積速度大、效率高的優(yōu)點，同時可以避免化學鍍過程中鍍層積累應力的缺點。劃痕試驗后，鍍銅層剝落，斷裂發(fā)生在鍍層與基體鋁合金的結(jié)合處，同時可見少量SiC顆粒，如圖4（c）所示，這表明鍍銅層與復合材料基體結(jié)合牢固，可達到改性SiCp/Al基體表面的目的，從而使其具有良好的焊接性能。

劃痕試驗表明，兩鍍層均能均勻沉積在復合材料表面，與基體結(jié)合良好。

2.2 釬焊接頭的剪切強度

由圖5可知，隨保溫時間延長，三種釬焊接頭的剪切強度均升高。這是因為隨著保溫時間延長，釬料的活性增強，其對母材表面的潤濕越來越充分，因而釬焊接頭的剪切強度有所提高；尤其是2#釬焊接頭，其剪切強度在保溫30 min后增大很明顯，保溫70 min后達到55.4 MPa。1#釬焊接頭的剪切強度最高為41.7 MPa，連接質(zhì)量一般[10,12]，但是強度介于2#和3#釬焊接頭之間，這說明在該試驗條件下進行真空加壓釬焊，通過電刷鍍在復合材料表面鍍銅能夠提高接頭的剪切強度，而化學鍍鍍鎳反而破壞了接頭的有效連接，導致剪切強度降低。

圖5 保溫時間與三種釬焊接頭剪切強度的關系Fig.5 Shear strength of three brazed joints for different holding times

2.3 釬焊接頭的微觀形貌及剪切斷口形貌

為更好地觀察并分析釬焊接頭中各元素的分布情況，采用背散射電子（BSE）分析方法表征三種接頭的形貌，如圖6所示。

圖6 保溫不同時間1#釬焊接頭的背散射電子像Fig.6 BSE images of brazed joints 1#for different holding times

由圖6可見，當保溫時間為10 min時，因釬料箔吸熱少，熔化不完全，所以釬料向母材基體中溶解、擴散得不充分，凝固前沿與母材存在明顯的界面，并伴有微孔洞等缺陷；當保溫時間延長至30 min時，釬料完全熔化，活性增強，釬縫致密完整，由于熔融釬料中的鎂、銅等活性元素向近側(cè)母材基體中下坡擴散充分(見表1），造成母材基體局部溶質(zhì)富集，對SiC顆粒產(chǎn)生推斥力，當推斥力大于金屬液的粘滯阻力時，部分較小尺寸的SiC顆粒將由母材兩側(cè)向釬料中遷移，但因運動時間短，未能到達釬料中；當保溫時間延長至50 min和70 min后，細小的SiC顆粒被熔融釬料的凝固界面吞沒，成功遷移至釬料中形成復合釬料，如圖6（c～d）所示，此時釬焊接頭的性能更加接近于母材的，因而釬焊接頭具有較高的剪切強度。

表1 圖6中A點和圖7中B點的EDS分析結(jié)果Tab.1 EDS analysis results of point A in Fig.6 wand point B in Fig.7 %

由圖7可見，在不同保溫時間下，2#釬焊接頭中活性鍍銅層均向釬料和母材中充分擴散，鍍層基本消失。由表1能譜分析可知，活性元素銅主要參與圖中白色相（富銅相）的生成，且白色相聚集在SiC顆粒邊緣，有助于改善釬料對SiC顆粒的潤濕性。當保溫時間為10 min時，釬料未完全熔化，活性較低，釬焊接頭中存在較大的殘余應力，導致裂紋在釬料白色相中起源并擴展，最終造成較大裂紋缺陷，如圖7（a）所示；隨著保溫時間延長，釬料完全熔化，與復合材料基體的溶解和互擴散作用增強，釬焊接頭致密完整，無明顯缺陷，雖然SiC顆粒未遷移至釬料內(nèi)部，但是釬料中白色富銅相的生成能夠阻礙位錯運動，從而提高釬焊接頭的力學性能。

在570℃的釬焊溫度下，鎳較銅的擴散激活能高，因而鍍鎳層向釬料與基體中的擴散作用較鍍銅層的弱。在4種保溫時間下，3#釬焊接頭均產(chǎn)生了裂紋，如圖8所示。當保溫時間為10 min時，未完全熔化的釬料活性較低，減弱了與鍍鎳層的傳質(zhì)作用。在隨爐冷卻過程中，因釬料、鍍層（金屬）與母材(SiCp/6063Al復合材料）的熱膨脹系數(shù)不同，導致焊后存在較大的殘余應力；同時保溫時間短，化學鍍鎳產(chǎn)生的應力集中不能完全消除。當釬料與鍍層的結(jié)合力大于鍍層與母材的結(jié)合力時，鍍層與母材就發(fā)生剝離，產(chǎn)生較大的間隙，如圖8（a）所示。鍍層與釬料之間因擴散作用較弱，也存在明顯的小間隙。當保溫時間延長時，鍍層與母材間的應力消除，兩者結(jié)合緊密，沒有出現(xiàn)鍍層剝離的現(xiàn)象，如圖8（b～d）。當延長保溫時間后，釬料熔化完全，此時液態(tài)釬料與鍍鎳層間的互擴散作用增強，可使釬料與鍍鎳層結(jié)合界面處的裂紋變窄，但裂紋并沒有消除。這表明570℃釬焊溫度下，鋁-銅-鎂共晶箔狀釬料不適于真空釬焊化學鍍鎳處理的60%SiCp/6063Al復合材料。

圖7 保溫不同時間2#釬焊接頭的背散射電子像Fig.7 BSE images of brazed joints 2#for different holding times

圖8 保溫不同時間3#釬焊接頭的背散射電子像Fig.8 BSE images of brazed joints 3#for different holding times

由圖9和圖10可見，1#釬焊接頭的斷口呈金屬色（光亮），即釬料本身的外觀色，說明在該條件下鋁-銅-鎂共晶釬料對復合材料的潤濕和鋪展作用較強，接頭釬焊質(zhì)量高，斷裂發(fā)生在釬料層內(nèi)部，沿拉伸方向出現(xiàn)剪切流，并且存在極少量凸起的SiC顆粒，可以阻礙位錯運動。2#釬焊接頭剪切斷裂發(fā)生在釬料層（矩形框A）與復合材料內(nèi)部[10]（矩形框B），而且兩個斷裂位置毗鄰釬料與復合材料的結(jié)合界面；由于鍍銅層在釬焊過程中起連接釬料與母材鋁基體的作用，能夠促進兩者之間原子的互擴散，極大地提高釬料對復合材料的潤濕效果，因而釬料與復合材料緊密結(jié)合，成為統(tǒng)一整體，而大量凸起的SiC顆粒作為增強相，能夠較大程度提高剪切強度。3#釬焊接頭剪切斷口的色澤與復合材料預處理后的色澤類似，釬焊后鍍鎳層與母材基體剝離，接頭連接質(zhì)量最差。因此，采用電刷鍍在SiCp/6063Al復合材料表面鍍銅后，再在570℃采用鋁-銅-鎂共晶箔狀釬料進行真空加壓釬焊可提高釬焊接頭的連接質(zhì)量。

圖9 不同釬焊接頭剪切斷口的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of shear fracture of brazed joints 1#(a),2#(b) and 3#(c)

圖10 不同釬焊接頭剪切斷口的宏觀形貌Fig.10 Macrograph of shear fracture of different brazed joints

3 結(jié) 論

（1）SiCp/6063Al復合材料表面鍍銅與鍍鎳層均與基體結(jié)合緊密。

（2）在570℃的釬焊溫度下，隨著保溫時間延長，釬焊接頭的剪切強度都逐步增大；與表面鍍鎳及未鍍金屬的相比，表面鍍銅復合材料接頭的剪切強度更高，且其剪切斷裂發(fā)生在釬料層和復合材料內(nèi)部，接頭的剪切強度最高可達55.4 MPa；鍍鎳會降低接頭的剪切強度。

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