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铝锂合金的钎焊性研究

发布时间:2019-02-18 20:00:18人气:

铝锂合金的钎焊性研究
                                                        孙德超


  摘要:通过试验研究,探讨了铝锂合金的钎焊性。试验结果表明,铝锂合金具有良好的高温软钎焊性和硬钎焊性,在钎料中添加微量稀土,可进一步提高钎焊接头的性能。
  关键词:铝锂合金;钎焊;钎焊性;钎料;稀土。
  中图分类号:TG454

Investigation On the Brazeability
of Aluminium-Lithium Alloys

  
  Sun Dechao
  (Dept.Of Materials Engineering,Nanchang Institute of Aeronautical-Technology,P.R.China 330034)
Abstract:The Brazeability of Al-Li alloys is studied through experiments.The result shows that the Brazeability of Al-Li alloys behave quite well in high temperature soldering and brazing,the Properties of brazed joint Can be improved by adding a little rare-earth to brazing filler metal.
Keywords:Al-Li Alloy;Brazing Brazeability;Filler Metal;Rare
  
前言
  铝锂(Al-Li)合金,是本世纪50年代后迅速发展的一种新型结构材料。锂的密度为0.54 g/cn3,将其加入铝中可明显降低合金的密度,每添加1%(重量百分比)的锂,可使铝合金的密度降低3%,而弹性模量却提高6%〔1〕。(Al-Li)合金除具有较低的密度、较高的比强度及比刚度,还具有良好的耐蚀性及低温性能〔2〕,是航空航天领域中极有潜力的新型结构材料,以其取代传统的铝合金,可使飞行器结构的重量减轻15%~20%,而刚度提高15%~20%〔3〕,因而其开发应用备受各国的青昧。
  随着Al-Li合金应用的广泛性,其焊接性的研究也日益受到了重视,其中以熔化焊领域中的研究报道较多,而其他焊接领域的研究报道极少。本文通过试验研究从钎焊范畴探讨了Al-Li合金的焊接性。
1 试验材料与试验方法
  钎焊金属采用俄罗斯进口的1420Al-Li合金(Al-2.0%Li-4.2%Mg-0.12%Zr)板材,密度为2.47 g/cn3、弹性模量为76 Gpa、抗拉强度为497 Mpa、屈服强度(σ0.2)为323Mpa、延伸率为8%,板厚2 mm。试验中采用的钎料及钎剂的成分如表1及表2所示。
表1 钎料成份
钎料类型 钎料牌号 化学成份W×100 熔点(℃)
低温软钎料 Sn-10Zn Sn90,
Zn10 200
中温软钎料 Sn-30Zn Sn70,
Zn30 183-331
高温软钎料 Sn-20Al-15Cu Sn65,Al20,Cu15 415~
425
硬钎料 HL400 Al88,Si12 577~
582
HL401 Cu25~30,Si4±0.7,Al余量 525~535

 
表2 钎剂成份
 
钎剂类型 化学成份(W×100) 钎焊温度(℃)
铝用有机软钎剂 C6H15NO367,C2H7NO14,NH4BF414,ZnO5 150~
275
铝用反应钎剂(QJ203) ZnCl265,NH4Cl25,NaCl10 330~
450
铝用硬钎剂(Φ5) LiCl38,KCl45,NaF10,SnCl23,CdCl24 420~620

   试验在电阻炉内进行,通过润湿性试验及钎焊接头的形成能力试验并结合对钎焊接头力学性能的测试探讨Al-Li合金的钎焊性。力学性能的测试内容主要为常规强度及抗腐蚀性试验后接头的强度,抗腐蚀性试验是将钎焊接头在20±3℃的人造海水中浸泡10天,人造海水的配方为:2.7%NaCl+0.1%KCl+0.1%CaCl2+0.6%MgCl2+余量H2O。
2 试验结果与分析
2.1 钎料对母材的润湿性
  钎焊过程中,液态钎料对钎焊金属良好的润湿性是实施钎焊的基础。钎料在钎剂配合下对Al-Li合金的润湿性试验结果如表3所示,其中所用钎料量为100 mg。
  
表3 钎料对Al-Li合金的润湿性
 
钎料 钎剂 钎焊温度(℃) 保温时间(min) 钎料铺展面积(mm2)
Sn-10Zn 铝用有机软钎剂
 250 5 0
Sn-30Zn QJ203 360 5 314~
380
Zn-20Al-15Cu Φ5 480 5 95~
118
HL401 Φ5 540 5 176~
207
HL400 Φ5 加热至560℃时,试样已过烧

    试验结果表明,低温软钎焊时钎料对Al-Li合金的润湿性极差,熔化的钎料以球珠状团聚在试样上,根本不铺层。这主要是由于合金中的含镁量较高,适合于低温软钎焊的铝用有机软钎剂的去膜能力弱,无法去除试样表面的氧化膜,故钎料无法对母材润湿。中温及高温软钎焊时,钎料对Al-Li合金的润湿性较好。硬钎焊时钎料在试样上也有较好的润湿性,但是,由于Al-Li合金的固相线温度较低,当钎焊温度过高时,会造成母材过烧。例如采用HL400在560℃温度下试验时,在钎料还未熔化的情况下,母材已产生了局部熔化现象,因而硬钎焊时,必须严格控制钎焊温度。
2.2 钎焊接头的形成能力
  将钎料置于搭接接头的间隙旁实施钎焊,观察Al-Li合金钎焊接头的形成能力。试验结果表明,Al-Li合金在高温软钎焊和硬钎焊时均能较好地形成接头,而中温软钎焊时接头的形成能力极差,钎料熔化后很难往钎缝间隙内渗透。这可能是由于中温软钎料的含锌量较高,对母材的溶解作用较强,钎料熔化后在间隙外已被母材所饱和而降低了其流动能力,此外,QJ203反应钎剂在间隙内与母材作用后所产生的大量气体对液态钎料的填缝过程也会产生阻碍作用。
2.3 钎焊接头的强度
  通过力学性能试验测得钎焊接头的剪切强度如表4所示。
  
表4 钎焊接头的剪切强度
 
钎料类型 钎焊温度(℃) 保温时间(min) 接头剪切强度(Mpa)
Zn-20Al-15Cu 480 5 28.2~
42.9
Zn-20Al-15Cu+0.5RE 480 5 36.8~
48.3
HL401 540 5 52.7~
84.3
HL401+0.5RE 540 5 56.2~88.4

  注:RE为混合稀土,其成份为:Ce35%,La30%,Nd21%,Pr7.8%,Sm0.3%,Y0.3%。
  试验结果表明,用高温软钎料和硬钎料钎焊Al-Li合金可以获得较高的接头强度,足以满足使用要求。若在钎料中添加微量的稀土,可使接头强度提高10~15%,这可能是由于钎料中的稀土可起变质剂细化晶粒和除气、除杂质的净化作用,改善了钎缝的组织,因而提高了接头的性能。此外,稀土还有减弱钎料对母材的溶蚀作用。例如Zn-20Al-15Cu钎料中的含锌量较高,母材在钎焊时的溶蚀现象较明显,而在钎料中添加了微量稀土后,溶蚀现象明显减弱。
2.4 钎焊接头的抗腐蚀性
  Al-Li合金钎焊接头在人造海水中腐蚀10天后的剪切强度如表5所示。
  
表5 抗腐蚀性试验后的接头强度
 
钎料类型 接头剪切强度(Mpa) 平均强度下降率(%)
Zn-20Al-15Cu 20.8~
24.2 32.4
Zn-20Al-15Cu+0.5RE 26.8~
40.2 21.2
HL401 52.3~
72.3 9.1
HL401+0.5RE 52.8~79.2 8.7

   由表中列的数据可见,硬钎料钎焊的Al-Li合金具有较好的抗腐蚀性,而软钎料钎焊的接头抗腐蚀性较差,这主要是由于钎料与母材在成份上有较大的差别,因而在钎缝与母材间存在着较大的电位差。在钎料中添加稀土后,接头的抗腐蚀性明显提高了,这可能是由于稀土的化学活性较强,易在钎缝表面形成一层致密而稳定的氧化膜抵御了外界对内部金属的侵蚀作用。
3 结论
  (1)Al-Li合金的低温软钎焊性及中温软钎焊性较差,而高温软钎焊和硬钎焊具有较满意的钎焊性;
  (2)在钎焊Al-Li合金的钎料中添加微量的稀土,可起提高钎焊接头强度与抗腐蚀性能以及减弱钎料对母材溶蚀的作用;
  (3)Al-Li合金的固相线温度较低,钎焊时必须注意钎焊温度的控制,以免母材过烧。
作者简介:孙德超,男,1946年生,副教授。
作者单位:南昌航空工业学院 材料工程系,江西南昌 330034
参考文献
  〔1〕 夏德顺译.铝锂合金的可焊性,国外导弹与航天运载器,1987(10):50。
  〔2〕 夏德顺译.铝锂合金的发展和应用.航天工艺,1998,1。
  〔3〕 邱惠中.铝锂合金的发展概况及其应用.宇航材料工艺,1993,4。
  〔4〕 Westwood.A.R.New materials for aerospace industry.Materials science and technology,1990(6):958-961

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