铝合金焊接材料洁净度表征及增熵劣化研究

摘要

铝合金焊料的洁净度是铝合金焊接接头可靠性的重要保障。为生产高性能洁净铝合金焊料，拓展铝合金的应用领域，本文在 Al-5Mg-0.1Mn-0.1Cr-0.1Ti焊料的基础上系统研究了Fe、Si、Ca杂质元素及Sc、La、Ce稀土元素在合金中的行为及对焊料性能的影响。在Al-5Mg合金的基础上研究了Fe与Sc、La、Ce，Si/Ca与Sc、La、Ce的交互耦合作用，及杂质与稀土共同存在时引起的焊料和焊接接头组织与性能的变化。根据试验结果，给出了焊料洁净度表征公式，并探讨了杂质元素的增熵劣化原理，提出了抑制杂质劣化性能措施，得到以下结论：
　　（1）杂质与稀土在铝镁焊料中行为研究：
　　Fe在铸态铝合金中形成粗大针状富Fe相θ-AlFe3，降低了合金强度、塑性和冲击断裂韧性。为获得良好的焊料性能，焊料中Fe应控制在0.2％（质量分数）以下。Si对焊料强度影响较小，但劣化焊料塑性和韧性。随着Si含量的提高，合金由韧性断裂转变为以脆性断裂为主的混合型断裂，0.5%Si为合金韧脆转变的临界点。为保证焊料良好的塑韧性，焊料中的Si应小于0.25%或更低。Ca在焊料中以块状(Cr,Ti)2Ca(Al,Mg)20和不连续条状 Al2Ca化合物在晶界富积析出。Ca元素改变了合金断裂方式，合金拉伸或冲击断口由穿晶延性断裂特征（ Ca＜0.28%）转变为脆性断裂(Ca>0.28%)特征，合金韧脆转变点Ca含量为0.28%。为获得好的综合力学性能，应尽量降低合金中Ca的含量。焊料中存的杂质生成了有害相，降低了焊料洁净度，劣化了焊料性能。
　　焊料中Sc细化α-Al晶粒，使连续分布在晶界的条状β-Al3Mg2转变为链球状并断续分布在晶界，Sc加入提高了焊料强度和塑韧性。La除了固溶在焊料合金基体内，还以块状或枝状(Cr,Ti)2La(Al,Mg)20稀土化合物和棒状或颗粒状 Al11La3化合物形式存在。微量添加La时，合金晶粒细化，强度和塑韧性提高。但随La添加量的增加（大于0.45%），析出的块状和粗大枝状富 La化合物降低了晶粒细化对合金性能的优化作用，使合金性能下降。Ce以块状(Cr,Ti)2Ce(Al,Mg)20化合物和棒状α-Ce3Al11化合物形式在晶界和相界分布，并随Ce的增加而增加。Ce的固溶强化和晶粒细化作用使合金强度和塑韧性良好，但块状(Cr,Ti)2Ce(Al,Mg)20化合物对焊料性能有剧烈的劣化作用。微量稀土添加到焊料中，因固溶、细化、变质和有益第二相生成，可优化焊料与焊接接头性能，但应控制稀土的添加量，防止有害稀土相生成。
　　（2）杂质与稀土元素交互作用研究：
　　Sc与Fe无强烈的交互作用，Sc加入不改变Fe相的分布与形貌，Sc对富Fe相没有明显的变质作用。杂质Fe劣化了焊接接头的力学性能，Sc不改变Fe在铝中的行为及Fe致性能劣化。与含有微量Fe（~0.16%）的Al-Mg-xLa相比，Al-Mg-Fe-xLa中La对富Fe相有变质作用，Al-Mg-Fe（~0.8%）-xLa焊接接头力学性能与Al-Mg-xLa接近。由于La与Fe的交互作用，La加入可抑制Fe对焊接接头力学性能的劣化。高Fe含量的Al-5Mg焊接接头中Ce的存在形式有四种。固溶在α-Al晶粒内；以化合物Al11Ce3的形式偏聚在晶界；Ce吸附在富Fe相表面；Ce存在于富Fe相内部，形成（AlFeSiCe）化合物。Fe与Ce强烈的交互作用和Ce对富Fe相进行的变质，使Ce抑制了Fe对焊接接头性能的劣化。
　　Al-5Mg焊料中 Sc与 Mg2Si弱交互作用，Sc不改变 Si对焊接接头性能劣化。La与Si交互作用促使La对Mg2Si相变质，使Al-Mg-Si焊接接头抗拉强度因Si致劣化程度减弱。但 Al-Mg-Si焊接接头脆性大，La添加后焊接接头冲击韧性没有明显改观。La不能明显抑制Al-Mg-Si焊接接头Si致韧性劣化。Ce与Si及Mg2Si的交互作用，使Ce对α-Al晶粒和Mg2Si有细化作用，故Ce可抑制焊接接头因Si导致的强度劣化，但因Ce在合金中能形成粗大的Al11Ce3和AlFeSiCe，焊接接头冲击韧性没有改善，过量添加Ce后焊接接头抗拉强度和冲击韧性均下降。Ce与Si的作用强度小于La与Si的作用强度，而Ce与Al的作用强度远大于La与Al的作用强度，故Ce更倾向于与Al形成化合物。Ce对Mg2Si的变质弱于La对Mg2Si的变质。
　　Ca与Sc无明显的交互作用，但Ca能改变Sc在Al中的固溶度，促进Al3Sc粒子的聚积。Sc添加不改变Ca引起的焊接接头性能劣化。Ca与La有微弱交互作用， Ca与La不形成化合物，Ca与La可互溶于对方晶格，La不改变富 Ca化合物结构与形貌，La对富Ca相无明显的变质，且La不改变Ca导致的焊接接头性能劣化。Ce与Ca微弱的作用力，将Ce添加到含Ca的焊料内，Ce不改变Ca对焊接接头性能的劣化，Ce单独优化焊接接头性能。Ce对 Ca的作用与 La对 Ca的作用不同， Ca与La可微弱互溶形成固溶体，而Ce与Ca基本无互溶。
　　（3）铝合金焊料洁净度表征体系与增熵劣化研究：
　　洁净度表征公式：
　　此处为公式省略
　　焊料中杂质元素增加，增加了系统熵值，焊料洁净度降低，导致焊料与焊接接头性能劣化。添加有益元素降低系统熵值，净化合金，有益元素抑制杂质对焊料和焊接接头性能的劣化。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究现状

1.2 影响焊料洁净度的因素

1.3 微合金化对铝合金焊料洁净度影响研究

1.4 焊接材料洁净度表征研究

1.5 研究目的、研究内容

1.6 技术路线与创新性

第二章 试验材料及分析测试方法

2.1 铝镁焊料制备

2.2 焊接方法及工艺

2.3 性能测试方法

2.4 微观测试分析

第三章 杂质元素行为研究

3.1 杂质Fe对铝镁焊料组织及性能影响

3.2 杂质Si对铝镁焊料组织及性能影响

3.3 杂质Ca对铝镁焊料组织及性能影响

3.4 杂质元素对焊料熔化特性的影响

3.5 本章小结

第四章 微量元素行为研究

4.1 Sc对铝镁焊料组织及性能影响

4.2 La对铝镁焊料组织及性能影响

4.3 Ce对铝镁焊料组织及性能影响

4.4 本章小结

第五章 杂质元素Fe与微量元素的交互作用

5.1 Fe与Sc交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

5.2 Fe与La交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

5.3 Fe与Ce交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

5.4 本章小结

第六章 杂质元素Si与微量元素的交互作用

6.1 Si与Sc交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

6.2 Si与La交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

6.3 Si与Ce交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

6.4 本章小结

第七章 杂质元素Ca与微量元素的交互作用

7.1 Ca与Sc交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

7.2 Ca与La交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

7.3 Ca与Ce交互作用对铝镁焊料及焊接接头的影响

7.4 本章小结

第八章 焊接材料洁净度表征及增熵劣化研究

8.1 铝合金焊料洁净度表征

8.2 增熵劣化计算及物理验证

8.3 本章小结

第九章 结论与展望

9.1 主要结论

9.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文和参加科研情况

作者简介