Fe36Ni合金与SiC/Al复合材料超声波钎焊的界面结构形成机理及接头性能研究

摘要

与Fe36Ni合金等传统封装合金相比,高体积分数颗粒增强铝基复合材料,具有低密度,低热导率以及一定范围可调的热膨胀系数等性能优点,正向电子封装领域广泛推展。但由于其表面致密的氧化膜以及大量的陶瓷颗粒,对连接性能造成极大的阻碍,限制了这种复合材料的应用范围。实现Fe36Ni合金与铝基复合材料的连接,不仅能够实现构件的减重,还能提高其导热性能,提高构件的可靠性以及延长寿命等,因此研究Fe36Ni合金和高体积分数颗粒增强铝基复合材料的焊接具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本文以Fe36Ni合金和55％SiCp/A356复合材料为研究对象,以两种材料的中低温连接为研究目标,提出了采用ZnAl和SnZn两种钎料对两种材料的超声波钎焊工艺。
　　由于Fe36Ni的良好波传导性,对超声波钎焊工艺的制定有非常大影响。首先对在Fe36Ni合金的超声波传播特性进行了研究,获得Fe36Ni合金板振动场分布,探索合适的钎料放置位置以及超声加载方式。接着研究了ZnAl钎料与Fe36Ni合金的界面反应和组织结构,通过在钎料中增加Si元素,获得了界面结合良好,钎缝无裂纹的接头。其次研究了SnZn与Fe36Ni的界面反应和力学性能,并对固态时效下界面组织的变化进行了系统研究,获得理想的界面结构。然后研究了SnZn与55%SiCp/A356复合材料的超声波钎焊工艺,通过对Zn含量对接头组织和性能研究,得到界面结合良好高强度的焊缝。最后研究了采用ZnAl和SnZn两种钎料对Fe36Ni合金与55%SiCp/A356复合材料的超声波钎焊工艺。
　　利用Ansys软件对Fe36Ni合金板进行模态、谐响应以及瞬态分析,研究Fe36Ni合金板的振动场分布。振幅最大值位于在距离右端(非超声加载区域)10-20mm的范围内,此处比较适合放置钎料。单次施加超声0.1s时钎料的飞溅比单次1s时小很多,因此单次超声0.1s是比较合适的工艺。也就是短时间多次超声的脉冲加载超声波方式比较适合Fe36Ni的超声波焊接。
　　采用ZnAl钎料超声波钎焊Fe36Ni合金时,界面化学反应比较剧烈,焊缝中生成较多致密的化合物,且存在大量垂直于界面的裂纹。经能谱分析和逐层XRD分析可得,ZnAl/Fe36Ni的界面结构为:Fe36Ni/Γ-Fe4Zn9/Γ2-Fe6Ni5Zn89/Fe-Al+Zn。ZnAlSi钎料超声波钎焊Fe36Ni合金时,在界面处形成约0.1μm的Fe3Al2(SiO4)3化合物层。此化合物层表现为稳定性,在焊接温度420-500℃,超声作用2-15s,保温10-60min时形貌和厚度几乎不随工艺参数的变化而变化。其接头压剪强度可达102-115MPa,断裂位置主要位于这一薄层物相中。最后提出了Si元素抑制裂纹产生机理的模型。
　　采用SnZn钎料超声波钎焊Fe36Ni合金时,使用Sn20Zn时界面化合物主要为Zn基的化合物,其界面稳定结构为Fe36Ni/Γ-Fe4Zn9/FeSn2/Γ2-Fe6Ni5Zn89/Sn20Zn。延长保温时间和提高焊接温度时,界面会出现富NiΓ2向富FeΓ2的转变。使用Sn20Zn钎料连接Fe36Ni合金时,其接头的剪切强度可以达到45-55MPa,断裂位置均为于界面化合物层与Sn20Zn钎料的界面上。对Sn20Zn/Fe36Ni的界面进行固态时效研究,Sn20Zn/Fe36Ni的固态时效界面反应层结构稳定,生长速率受扩散机制控制,经计算其界面反应层的生长激活能为6.371kJ/mol。
　　通过改变超声作用、焊接温度和保温时间,研究了Sn20Zn钎料在55%SiCp/A356复合材料的铺展润湿行为。当超声作用1s以上时,氧化膜完全去除,并且SnZn与SiC实现良好的润湿结合。接头最高剪切强度为超声作用10s+10min+10s时,可以达到108MPa,断裂位置位于近界面的钎料中。采用TEM手段在Sn与Al的界面处发现一层200-400nm的Al2O3非晶,增强了Sn与Al的界面结合强度。在Sn/SiC的界面存在一层10nm左右的Mg基非晶,提高了Sn与SiC的界面结合强度。随着钎料中Zn含量的增加,接头强度逐渐增加。Sn40Zn钎料的接头剪切强度最高,强度可以达到115MPa。
　　综合Fe36Ni合金和55%SiCp/A356复合材料超声波钎焊工艺,研究了上下板母材位置,超声加载方式对接头组织和性能的影响。Fe36Ni合金放置在下板时,能够同时实现对两种母材的异种连接,其最高接头强度可达到114MPa,断裂位置位于Fe36Ni合金侧界面中。使用SnZn钎料钎焊时,其接头剪切强度不随工艺参数变化,稳定在75MPa左右;其SnZn/Fe36Ni界面反应生成Fe3Al2(SiO4)3。随着Zn含量的增加,SiC颗粒迁移进入焊缝,其接头强度保持稳定,断裂位置也位近Fe36Ni合金侧界面钎料中。

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Contents

第1章 绪 论

1.1前言

1.2 FeNi合金连接现状

1.3铝基复合材料连接现状

1.4 FeNi合金与铝基复合材料的连接现状

1.5 FeZn化合物的研究现状

1.6研究问题的提出及研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3试验研究方法

2.4微观组织结构分析

2.5力学性能测试

第3章 Fe36Ni合金的超声波传播特性

3.1引言

3.2固体材料的特性阻抗

3.3 Fe36Ni合金表面超声振动场的分布

3.4本章小结

第4章 ZnAl/Fe36Ni的界面反应及组织结构研究

4.1引言

4.2钎焊条件下Fe36Ni合金表面的氧化物分析

4.3 ZnAl在Fe36Ni合金表面的铺展润湿

4.4 ZnAl/Fe36Ni合金的界面组织分析

4.5缺陷产生原因的分析

4.6界面反应控制研究

4.7本章小结

第5章 SnZn/Fe36Ni界面组织结构及性能研究

5.1引言

5.2 SnZn/Fe36Ni界面组织特征

5.3 Sn20Zn/Fe36Ni界面力学性能

5.4 SnZn/Fe36Ni固态时效后界面组织结构

5.5本章小结

第6章 SnZn/55%SiCp/A356复合材料界面组织结构及性能研究

6.1引言

6.2 Sn20Zn对55%SiCp/A356复合材料的润湿和溶解研究

6.3工艺参数对55%SiCp/A356复合材料接头组织和性能的影响

6.4 SnZn/Al和SnZn/SiC界面结合分析

6.5 Zn含量对55%SiCp/A356复合材料接头组织和性能的影响

6.6本章小结

第7章 Fe36Ni合金与55%SiCp/A356复合材料钎焊接头组织与性能研究

7.1引言

7.2 ZnAlSi钎料钎焊异种材料

7.3 SnZn钎料钎焊异种材料

7.4本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历