超声辅助泡沫Ni/Sn复合焊料低温钎焊超细晶Al合金接头连接机理研究
批准号:
51605357
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
肖勇
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
朱晓萌、李佳琪、周梦成、王奇伟、张星祎
中文摘要
超细晶粒Al合金具有优异的综合力学性能,但是该合金在较高温度焊接时易发生晶粒的粗化及力学性能的弱化,使其工业化应用受到了一定的限制。采用Sn基钎料低温钎焊能避免Al合金晶粒粗化现象的发生,但是获得的接头结合强度较差。本项目提出采用开孔泡沫Ni来增强Sn基钎料层的强度,并通过超声波辅助无钎剂钎焊工艺来促进泡沫Ni/Sn复合钎料与Al母材之间的界面润湿及冶金结合。研究超声钎焊工艺参数及泡沫Ni尺寸参数对接头显微结构及力学性能的影响,探究接头显微结构与接头性能之间的内在联系,揭示超声波作用下泡沫Ni/Sn复合钎料与Al母材之间的界面润湿机理及冶金反应机理。本项目研究对制备高性能超细晶粒Al合金低温钎焊接头,以及深入理解声场作用下钎焊接头的界面反应行为有着重要的理论意义和工程应用价值。
英文摘要
Ultrafine-grained (UFG) Al alloys exhibit excellent mechanical properties. However, joining UFG Al alloys at high temperature may result in the creation of grain coarsening and mechanical properties deterioration, which confines the industrial application of UFG Al alloys. The grain coarsening may be avoided when Al alloys are low-temperature soldered with Sn-based alloys, but joints soldered with Sn-based alloys exhibit low strength. This project attempts to strengthen the Sn-based filler metal layer with open-cell Ni foam, and enhance the interfacial wetting and metallurgic bonding between the Ni-foam/Sn composite solder and Al substrate with the assistance of ultrasonic waves. Effects of soldering parameter and Ni foam size on the microstructure and mechanical properties of Al alloy joints will be investigated. The relationship between microstructure and mechanical properties of Al alloy joints will be studied. The interfacial wetting and metallurgic reaction mechanisms between the Ni foam/Sn composite solder and the Al substrate will be revealed. The methodology and understanding developed in this project are helpful to fabricate high-performance UFG Al alloy joints soldered at low-temperature, and to further make clear the interfacial reaction behavior of soldered joints exposed to ultrasonic waves.
本项目针对Al合金低温钎焊时存在的焊料难以润湿铺展、钎焊接头强度低等问题,设计并制备了一种Ni泡沫增强Sn基复合焊料,并借助超声波辅助无钎剂钎焊工艺对铝合金进行了低温钎焊连接。首先,项目中系统研究了Ni泡沫增强Sn基复合焊料的制备工艺及其物理性能,发明了电镀、烧结、压力浸渗、冷热环轧等连续复合焊片制备新工艺,制得的复合焊片拉伸强度可达90MPa以上,熔点增量在5℃以内。其次,项目重点研究了超声波作用下复合焊料与Al合金间的界面润湿机制及冶金反应机理。发现Al合金低温钎焊接头的界面反应行为与接头形式有很大关系。采用对接接头时界面的润湿归因于超声空化效应和机械摩擦的联合作用,在Al合金界面形成了Al3Ni脆性IMC层;采用搭接接头时界面润湿主要依靠空化效应,Sn焊料基体中大量形成了由微纳颗粒围成的环状结构,且在Al合金表面发现了由空化效应诱发的氧化铝非晶过渡层,其实现了Sn焊料与Al合金基体间的晶格平滑过渡和冶金结合。受此启发,项目中还系统研究了超声波作用下熔融焊料与锆基非晶、氧化锆陶瓷以及石墨烯之间的冶金结合机制,发现在焊料与母材界面处均产生了高温反应相或者非晶过渡层,其形成均与超声波在固液界面处形成的特殊声化学环境有关。最后,项目系统研究了Al合金钎焊接头的力学性能及失效机理。研究表明,对接形式接头中合金泡沫增强相被压缩成条状,其间形成了连续的Ni-Sn金属间化合物层。虽然通过添加合金元素能优化界面反应相的显微结构,但整体而言该类接头强度较低,接头剪切失效主要发生在层状脆性反应相中。采用搭接接头时,Sn基焊内中弥散分布的微纳反应颗粒以及三维连续分布的Ni泡沫骨架结构能对Sn基焊料起到很好的协同强化作用,接头具有优异的剪切强度,其剪切失效主要发生在焊料中。
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Interfacial reaction behavior and bonding mechanism between liquid Sn and ZrO2 ceramic exposed in ultrasonic waves
超声波作用下液态Sn与ZrO2陶瓷的界面反应行为及结合机理
DOI:
10.1016/j.ceramint.2017.03.042
发表时间:
2017-07
期刊:
CERAMICS INTERNATIONAL
影响因子:
5.2
作者:
[Luo Dan, Xiao Yong, Wang Ling, Liu Li, Zeng Xian, Li Mingyu]
通讯作者:
Li Mingyu
Ultrasound-induced liquid/solid interfacial reaction between Zn-3Al alloy and Zr-based bulk metallic glasses
超声诱导Zn-3Al合金与Zr基大块金属玻璃之间的液/固界面反应
DOI:
10.1016/j.ultsonch.2018.03.006
发表时间:
2018
期刊:
Ultrasonics Sonochemistry
影响因子:
8.4
作者:
[Zhang Xingyi, Xiao Yong, Wang Qiwei, Wang Ling, Wan Chao, Sheng Hongchao, Li Mingyu]
通讯作者:
Li Mingyu
Ultrasound-assisted soldering of alumina using Ni-foam reinforced Sn-based composite solders
使用泡沫镍增强锡基复合焊料对氧化铝进行超声波辅助焊接
DOI:
10.1016/j.ceramint.2017.07.185
发表时间:
2017-11
期刊:
CERAMICS INTERNATIONAL
影响因子:
5.2
作者:
[Xiao Yong, Zhang Yuanqi, Zhao Kai, Li Shan, Wang Ling, Xiao Jue, Liu Li]
通讯作者:
Liu Li
Ultrasonic soldering of Cu alloy using Ni-foam/Sn composite interlayer
使用泡沫镍/锡复合中间层的铜合金超声波焊接
DOI:
10.1016/j.ultsonch.2018.03.005
发表时间:
2018
期刊:
Ultrasonics Sonochemistry
影响因子:
8.4
作者:
[Xiao Yong, Wang Qiwei, Wang Ling, Zeng Xian, Li Mingyu, Wang Ziqi, Zhang Xingyi, Zhu Xiaomeng]
通讯作者:
Zhu Xiaomeng
Rapid soldering of flexible graphene assembled films at low temperature in air with ultrasonic assistance
超声波辅助下在空气中低温快速焊接柔性石墨烯组装薄膜
DOI:
10.1016/j.carbon.2019.11.089
发表时间:
2020-03-01
期刊:
CARBON
影响因子:
10.9
作者:
[Fu, Huaqiang, Xiao, Yong, He, Daping]
通讯作者:
He, Daping
共 7 条
石墨烯薄膜超声—电阻复合低温钎焊声—热动态演变规律及冶金连接机理
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批准号:52374398
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2023
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负责人:肖勇
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依托单位:
国内基金
海外基金