疊層復(fù)合中間層的設(shè)計引入使鎂合金與鋁合金連接的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鎂與鋁的連接領(lǐng)域，特別是一種設(shè)計并添加CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層結(jié)構(gòu)，用電場活化連接技術(shù)對鎂合金與鋁合金進(jìn)行低溫、快速、高強連接的連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂與鋁都是有色輕金屬，都具有比其它有色金屬、鋼鐵等材料更優(yōu)良的特性。鋁的密度小，只有2.7g/cm3;有高比強度、比剛度，有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；良好的耐腐蝕性能和塑型加工性能等優(yōu)點。鎂資源十分豐富，總儲量估計在100噸以上；大多數(shù)鎂合金比強度明顯高于鋁合金和鋼，彈性模量低可以避免過高的應(yīng)力集中，具有良好的減震性，切削性能和鑄造性能良好；鎂合金以其優(yōu)良的導(dǎo)熱性、可回收性、抗電磁干擾和優(yōu)良的屏蔽性能等特點，被譽為“綠色工程材料”，廣泛應(yīng)用于冶金、汽車、航空航天、光學(xué)儀器、計算機、電子與通信、電動、風(fēng)動工具及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。鎂與鋁在性能上具有一定的相似性，應(yīng)用領(lǐng)域都很廣泛，為了滿足一些特殊的要求和用途，研究鎂合金與鋁合金的連接問題十分有必要。
[0003]鎂與鋁的連接按照焊接母材在焊接時的狀態(tài)分為熔焊和固相焊。鎂與鋁的物理性質(zhì)相差較大，且二者化學(xué)性質(zhì)活潑，抗氧化性能差，熔焊時焊縫區(qū)易產(chǎn)生裂紋、氣孔、變形等焊接缺陷；鎂與鋁用傳統(tǒng)的固相焊接方法焊接時，焊接接頭界面極易產(chǎn)生大量的高硬度脆性的Mg-Al系金屬間化合物層，嚴(yán)重降低了鎂鋁焊接接頭的力學(xué)性能。近年來有學(xué)者希望通過添加中間層來解決鎂與鋁直接焊接強度低的問題。趙麗敏等用熱鍍的方法在鎂與鋁表面鍍鋅合金后焊接，鋅合金中間層的添加有效阻止了鎂與鋁之間直接的相互擴散，阻止了脆性鎂鋁系金屬間化合物的生成，提高了焊接接頭的強度(參見文南犬:L.M.Zhao and Z.D.Zhang.Effect of Zn alloy interlayer oninterface microstructure and strength of diffus1n-bonded Mg - Al joints.Scripta Materialia, 2008，(58): 283 - 286.)。王儀宇等通過磁控派射在鎂與招表面沉積銀薄膜后進(jìn)行焊接，銀薄膜的添加避免Mg-Al系金屬間化合物的生成，接頭強度達(dá)到 14.5MPa (參見文南犬:Yiyu Wang, Guoqiang Luo, Jian Zhang, Qiang Shen, LianmengZhang.Microstructure and mechanical properties of diffus1n-bonded Mg -Al joints using silver film as interlayer.Materials Science&EngineeringA, 2013，(559):868 - 874.)。張建等添加鎳箔鋁薄膜復(fù)合中間層，用磁控濺射在鎂表面沉積鋁膜，然后在鎂與鋁之間添加鎳箔進(jìn)行擴散焊接，添加復(fù)合中間層同樣阻止了高硬度脆性鎂鋁金屬間化合物的生成，進(jìn)一步提高接頭強度，焊接接頭剪切強度達(dá)25.8MPa(參見文南犬:Jian Zhang, Guoqiang Luo, Yiyu Wang, Yuan Xiao, Qiang Shen, Lianmeng Zhang.Effect of Al thin film and Ni foil interlayer on diffus1n bonded Mg - Aldissimilar joints.Journal of Alloys and Compounds, 2013, (556): 139 - 142.)。目前，鎂與鋁異種金屬設(shè)計并添加復(fù)合中間層，并在低溫活化快速連接連接尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種設(shè)計并引入CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層，并通過電場活化連接技術(shù)對鎂合金與鋁合金進(jìn)行快速、低溫、高強連接接的方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明提供的是一種疊層復(fù)合中間層的設(shè)計引入使鎂合金與鋁合金的連接方法，具體是:首先在鎂合金與鋁合金表面沉積CuNi合金薄膜作為防止鋁鎂基體表面氧化及金屬間化合物生成的阻隔中間層，然后在CuNi合金薄膜層之間添加Ag降低CuNi中間層的連接溫度，構(gòu)成CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層，再將含CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金待連接件的裝配，最后采用電場活化連接工藝，將含CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金在溫度為380?420°C條件下保溫Os?750s，實現(xiàn)含CuN1-Ag-CuNi疊層中間層的鎂合金與鋁合金的高強連接。
[0007]所述的CuNi合金薄膜中Cu原子占40%?60% (at% ) ο
[0008]所述的CuNi合金薄膜厚度為0.5 μ m?3 μ m。
[0009]所述的Ag的質(zhì)量純度為99.99 %，厚度為5 μ m?35 μ m。
[0010]所述的電場活化連接工藝為:軸向壓力為3?lOMPa，真空度〈10 1Pa,活化時間為20?100s，電流為50?200A，升溫速率為80?150°C /min，在380?420°C保溫Os?750so
[0011]所述的鋁合金為LY12或6061鋁合金，或者鋁合金由純鋁替換。
[0012]所述的鎂合金為AZ31B或MB2鎂合金，或者鎂合金由純鎂替換。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要特點:
[0014]1.在鎂合金與鋁合金表面沉積CuNi合金作為阻隔層，對鎂合金與鋁合金表面改性，減少了待焊面的氧化；其次，采用沉積方式的中間層與基體有良好的結(jié)合，提高了連接階段的原子接觸，降低了原子擴散激活能和連接難度。
[0015]2.設(shè)計并引入的CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層，有效阻止了Mg、Al原子之間的直接擴散，Ag的加入降低了 CuNi之間的焊接溫度。較低的焊接溫度使得焊接接頭各個界面:Mg合金與CuNi合金薄膜之間、Ag箔與CuNi合金薄膜之間、Al合金與CuNi合金薄膜之間形成固溶體，而不是脆性金屬間化合物，保證了高強連接。
[0016]3.采用利用電場活化連接工藝使得連接溫度進(jìn)一步降低，電場活化連接的初始階段利用直流脈沖電壓在焊接界面之間產(chǎn)生的分散高溫等離子體，對被焊材料進(jìn)行表面凈化、活化和均勻加熱；采用直流電直接對石墨磨具和模具內(nèi)的含CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金待焊件進(jìn)行通電加熱，具有很高的熱效率，加熱速度快、燒結(jié)時間短，極大縮短焊接工藝周期。
[0017]4.本方法工藝簡單，周期短，適應(yīng)性強，利與推廣，適用于其它異種金屬材料的低溫、快速、高強連接。
[0018]總之，本發(fā)明通過在鎂合金與鋁合金表面沉積CuNi層，對鎂合金與鋁合金表面改性，利用CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層有效的避免了連接界面脆性的Mg-Al系金屬間化合物以及其它金屬間化合物的產(chǎn)生；采用電場活化連接技術(shù)，在真空條件下實現(xiàn)了鎂合金與鋁合金低溫、快速、高強焊接，降低了連接溫度、縮短連接工藝周期、提高了連接接頭的可靠性。在焊接溫度為400°C，焊接壓力為5MPa的條件下保溫lOmin，得到的焊接接頭的剪切強度為 55.8MPa。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
[0020]圖2是利用磁控濺射技術(shù)在鋁合金表面沉積1.5 μ m厚度的銅鎳合金薄膜的表面(a)及斷面(b)顯微結(jié)構(gòu)掃描電鏡二次電子圖。
[0021]圖3是焊接溫度400°C，焊接壓力5MPa，保溫時間600s焊接條件下焊接接頭界面顯微結(jié)構(gòu)掃描電鏡背散射電子圖。
[0022]圖4是焊接溫度400°C，焊接壓力5MPa，保溫時間600s焊接條件下焊接接頭界面元素分布的線掃描圖。
[0023]圖5是焊接溫度400°C，焊接壓力5MPa，保溫時間600s焊接條件下焊接接頭Mg側(cè)斷口顯微結(jié)構(gòu)掃描電鏡背散射電子圖。
[0024]圖6是焊接溫度400°C，焊接壓力5MPa，保溫時間600s焊接條件下焊接接頭Al側(cè)斷口顯微結(jié)構(gòu)掃描電鏡背散射電子圖。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明提供的設(shè)計并引入CuN1-Ag-CuNi疊層復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金待連接件的電場活化連接方法，其主要工藝流程如下，首先