低温耐蚀铝合金钎料的研究现状★

韩 磊，孙玉萍

（1.合肥职业技术学院，安徽 合肥 230012；
2.中机第一设计研究院有限公司，安徽 合肥 230601）

铝合金因具有较轻的质量、较高的强度、较好的耐腐蚀性等优势广泛应用于建筑装饰、汽车工业、飞机制造等领域，并逐渐替代其他金属的位置，但铝合金较差的焊接性制约了其更广泛的运用。钎焊与熔化焊相比，因其具有工艺简单且适应性强等优点，近年来越来越受重视，钎料作为钎焊工艺中必备的材料，直接决定着焊接接头的综合性能。本文综述了国内外低温耐蚀铝合金钎料的研究进展，为相关的铝合金钎料制备和开发研究工作提供一些参考。

Al-Si系钎料因其润湿性能好且接头具有一定的耐腐蚀性，为铝合金钎焊中使用最多的一种钎料，一般钎料都是以这类成分为基础，根据需要添加一些微量元素构成其他不同钎料，从而保证不同的连接要求[1]。

Al-Si共晶点处w（Si）=12.6%，温度高达577℃，接近大部分铝合金的母材固相线，组织中的Si相在铸态下呈片状，机械性能较差，但在经过Sr、La等微量元素变质处理后，Si相可转变为枝状，其横切面由线状变为蠕状，再经过适当的保温处理可转变成球粒状。这些变质后的钎料组织在钎焊以后仍能保持形态，因此钎缝强度也得以增强。

沈阳大学和清华大学的研究者[2]使用A1-Si钎料加入稀土元素，分别钎焊LD30和LD2（新牌号分别为6061和6A02），测得钎焊接头的抗拉强度分别为288 MPa和280 MPa，均可达到母材强度90%，明显高于使用普通钎料的接头强度。

K.Suzuki[3]等人制得了熔点低至535℃的Al-4.2 Si-40Zn钎料，但是由于其中Zn含量高达40%，在真空钎焊过程中容易造成真空炉的污染，因此，真空钎焊不宜采用。

常见的Al-Si-Cu系钎料中Cu含量较低，约3.3%至4.7%，用于5 000系和7 000系等铝合金的钎焊。S.Y.Chang[4]对Cu含量更高的情况进行了研究，发现当Al-Si共晶钎料中Cu元素含量达到10%时，钎料的凝固温度区间由586～592℃降低到522～570℃，接头的剪切强度由23 MPa提高到76 MPa；
当进一步提高w（Cu）至20%时，测量其凝固温度，发现固相线温度几乎无变化，但液相线温度下降至535℃，且接头的剪切强度降至40 MPa。对Al-Si-Cu钎料的微观组织进行分析，发现该合金中的相组成主要为α（Al）相、初晶Si相以及脆性的Al2Cu金属间化合物相。余静喜[5]等对Al-Si-Mg-Cu合金钎料中Cu的质量分数进行研究，发现当钎料中Cu含量（质量分数）少于12%时，钎料的液相线温度随Cu含量的增加而降低，超过12%后液相线温度趋于稳定，固相线受Cu含量的影响较小。此外，钎焊接头的抗拉强度随着Cu含量的增加先增大后减小，当Cu含量（质量分数）为12%时，焊接接头的抗拉强度达到最大值94 MPa。

为了解决Cu增加含量而力学性能降低的问题，研究者们分别向Al-Si-Cu钎料中添加Sn、Ni以及稀土等元素进行试验。有试验在Al-9.6Si-20Cu钎料中添加约2%（质量分数）的Sn元素，使钎料的固液相线温度分别降低20℃和17℃，同时所得焊缝外观质量良好，接头的抗拉强度也高达121 MPa[6]。Ni元素在一定程度上能够改善Cu元素对钎料韧性的影响，有研究对其进行试验，发现当Ni含量（质量分数）为2%左右时，可取得最佳的熔化温度及焊接性能[7]。Yaowu Shi[8]等人研究了稀土元素Er对钎料的影响，结果表明，加入稀土元素几乎不改变合金相以及熔化温度区间，但可以明显细化基体相晶粒，同时改善钎料的润湿性。白明辉[9]等人研究了Y元素对Al-Si-Cu钎料焊接接头的影响，发现稀土元素导致第二相的形态发生了改变，使脆性的共晶相Al2Cu等的作用减弱，从而改善了钎缝的力学性能。

北京航空航天大学的研究[10]发现，A1-Si-Cu-Ni系钎料中，合金元素含量在一定范围内时，Si元素和Cu元素对钎料熔点的影响最大，两者含量的增加将明显降低钎料的熔点，其次是Al元素和Ni元素。在接头强度的影响因素方面，Si的影响为最大，而Ni、Cu等元素次之。

使用Al-Si-Cu-Ni四元钎料钎焊6063铝合金时，在焊缝组织中将会出现θ（Al2Cu）相和Mg2Si的复杂共晶以及Al2Cu相[11]。Si相一般呈片状分布，使接头的力学性能比较差，但如果添加了Ce、La等稀土元素作变质剂，可使Si相呈枝状分布，甚至是球状分布[12]。有人[13]制得了熔点的温度区间为518～538℃的Al-5Si-20Cu-2Ni钎料，Cu元素的加入可以显著降低钎料熔点，但是Cu含量较高时，易形成Al2Cu相，使钎料的加工性能变差。

左衡[14]等人研究了Ni和Er元素对Al-Si-Cu-Ge系钎料的影响，发现添加Ni和Er会少量提高钎料的熔点，另外添加Ni元素会提高钎料的耐腐蚀性能，添加Er元素在一定程度上降低钎料的耐腐蚀性能。为解决Ge元素降低材料韧性造成加工困难的情况，张福礼[15]等人研究了快冷制备钎料的方式，最终成功制取厚度为90～150 μm的Al-Si-Cu-Ge系钎料，由于快冷引起相的变化，其固相线温度降低30℃左右，液相线温度降低5℃左右。

邹家生[16]等人制得的Al-10Si-20Cu-5Zn合金钎料的固相线为499.5℃，液相线为523℃，但是Zn、Sn元素的加入均使得钎料的耐蚀性下降。

Al-Ge在w（Ge）为55%处存在一个共晶点，共晶温度423℃，Al-Ge系共晶钎料的流动性很好，铺展性也极佳，但此系钎料其色泽较深，是其缺点之一。此外，该系钎料极脆，加工困难，加入Ge元素也会增加钎料加工的成本，使得该系钎料价格较贵。

茅本隆司[17]等人通过添加Si、Mg等元素，制得了Al-Ge-Si-Mg系钎料。试验用Al-35Ge-12Si-0.7Mg-0.7Cu钎料试焊6061铝合金，接头强度不小于290MPa，达到母材的90%以上，用A1-35Ge-12Si-1Mg钎料试焊7003铝合金，接头强度不小于340 MPa，达到母材的85%以上。

张晓丽[18-19]等人探究了Ge元素含量的不同对Al-Si钎料熔点、铺展性和接头剪切强度的影响。试验结果表明，随着w（Ge）在0～30%的范围内增加，钎料的熔点先下降后上升，在w（Ge）为20%时，液相线温度达到最低点482℃，钎料的铺展面积也达到了231 mm2；
当w（Ge）为10%时，接头的强度最高达到母材强度的40%。

Al-Si-Zn三元共晶点w（Al）=5.10%，w（Zn）=94.86%，其余为Si元素。相关试验[20]表明，Al-Si共晶钎料中加入Zn元素可以提高钎料的润湿性和接头抗腐蚀性，由于不存在脆性化合物，钎料的加工性能也比Al-Si-Cu系强很多，可以轻松加工成箔带。其他一些研究[21-22]试验了不同含量的Zn和Sr元素对钎料的影响，结果显示在Al-6.5Si钎料中添加42%的Zn元素，钎料的液相线温度低至520℃，Sr元素的加入对钎料的熔点影响很弱，但是却可以明显改变钎焊接头微观组织，细化晶粒，提高接头的强度。

Zn-Al系共晶点w（Zn）为95%，温度382℃。共晶点的机械性能与纯Zn差别不大，虽然可以加工成片状或丝状钎料，但长期存放比纯Zn更容易发生晶粒长大，随着Al元素含量的增加，合金的加工性能有了明显的改善。

Zn-Al共晶钎料和富Al的亚共晶钎料的润湿性比Al-Si钎料差很多，这是因为Zn与Al的互溶度比较大，钎料在焊缝中流动的同时，会以很快的速度向母材晶间渗透，影响了液态钎料在钎焊中前进的速度。张满[23-24]等人采用Zn-Al系钎料分别对2A01铝合金及6063铝合金进行钎焊试验，发现在一定范围内增加Al元素的含量可以改善钎料的润湿性能，并提高接头的力学性能，而超过一定范围后继续增加Al元素反而会恶化接头的力学性能。这主要是因为钎缝中铝基固溶体强化相的数量可以随着Al含量的增加而增加，但过高的Al含量会导致钎缝中的枝状共析组织粗大，继而造成接头力学性能下降。

Zn-Al系钎料的耐腐蚀性能远不及Al-Si钎料，有报告[25]全面考察了微量元素对Zn-Al共晶合金耐蚀性的影响，得出钎料在加入0.1%（质量分数）左右的碱土族和稀土族金属后会普遍提高耐腐蚀性的结论。其中最显著的添加元素是Be，其次是Sr和Mg，而周期系中IB、IIIA、IV、VA及贵金属将使耐蚀性迅速下降。因此，配制钎料时Zn的纯度显得尤为重要。

戴维[26]等人采用使用改进的CsF-AlF3钎剂，研究了w（Al）在2%～22%范围内变化时，对Zn-Al钎料火焰钎焊性能的影响，发现随着钎料中Al含量的增加，合金的润湿性快速提高，但Al含量的增加导致钎焊接头的抗拉性能恶化，当w（Al）为2%～8%时，接头强度接近160 MPa，通过对接头的显微分析，其相组成为Al基固溶体和Zn基固溶体。

薛松柏[27]等人研究了稀土元素Ce对Zn-22Al钎料性能的影响，发现Ce对钎料熔点的影响甚微，但在添加了0.03%的Ce元素后，钎料在Cu母材表面的铺展能力可提高29.7%，另外0.03%～0.05%的Ce可起到细化钎料组织的作用，但是如果继续增加，在组织中就会很容易出现（Zn，Al）-Ce颗粒相。

此系钎料是以Sn为基的钎料，共晶点w（Zn）为8.8%，熔点198℃，Sn-Zn系钎料的最大优点在于，不仅钎焊工艺好，而且色泽与母材几乎一致。陈伟[28]等人的研究对比了纯Sn钎料和Sn-Zn钎料钎焊铝合金时的强度，发现前者的接头强度只有40 MPa，而后者可达到170 MPa以上。虽然添加Zn元素使此系列钎料的接头力学性能明显提高，但耐蚀性能却未改善，因而相关的研究还在继续。

刘亮岐[29]等人通过研究不同含量的Ag元素对Sn-1.5Zn钎料性能的影响，发现随着Ag含量在一定范围内增加，钎料的润湿性也在增加，当w（Ag）为2.0%时润湿性最好，而随着Ag元素的加入，铝合金钎焊接头的抗腐蚀性也略微提高。

张志[30]等人使用不同合金比例的Sn-Zn系钎料对m（Al）/m（Mg）异种金属进行钎焊试验，发现当w（Zn）为30%时，接头外观和力学性能将达到最佳值。随着Zn含量的增加，接头的断裂位置从Mg合金/焊缝界面，经焊缝区向Al合金/焊缝界面转移，当断裂位置为焊缝区时，接头的剪切强度最高（可达70.73 MPa）。

Ag-Al-Cu三元共晶点w（Ag）为40.7%、w（Al）为40%、w（Cu）为19.3%，共晶温度约为500℃，钎料的流动性非常好，但是脆性较大，采用该合金钎焊时，色泽与铝合金较一致。在Ag-Al-Cu共晶合金中加入Zn元素可得到Ag-Al-Cu-Zn系钎料，合金的液相温度随着Zn含量的增加直线下降。

Al-Cu-Mg系铝合金的氧化膜成分复杂且难以去除，且容易出现过烧现象，为了实现该类铝合金的钎焊，董健[31]等人研发出熔点介于450～480℃之间的Ag-Al-Cu-Zn系列钎料，在KF-CsF-AlF3钎剂的作用下实现LY12（新牌号2A12）热处理铝合金的中温钎焊，采用搭接接头炉中钎焊，剪切强度达到母材的80%，采用对接接头火焰钎焊，抗拉强度达到母材的70%，推翻了不能对热处理铝合金母材进行钎焊的论断。

随着铝及铝合金越来越广泛的应用，与铝合金钎料相关的研究工作也已经成为相关材料科学研究的重点之一，伴随着新技术、新材料的不断涌现，以及相关理论的不断完善，预计未来将会有更多的成果为人们所知。

（编辑：苗运平）

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