Al86Ni9Y5非晶薄带与纯铝的扩散连接

沈博智，陆 琪，吴超辉，孙 慧，张英明，袁子洲

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

Al86Ni9Y5非晶薄带与纯铝的扩散连接

沈博智，陆 琪，吴超辉，孙 慧，张英明，袁子洲

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

主要研究了Al86Ni9Y5非晶薄带与纯铝的扩散焊连接工艺及其连接界面的原子扩散情况。实验采用真空急冷甩带法制备出带厚为50μm、带宽为3mm的Al86Ni9Y5非晶薄带。非晶薄带和铝箔经表面处理后放入真空扩散焊设备中进行扩散连接，连接后进行XRD测试和电子探针分析。实验分析表明：扩散连接压力和温度对接头质量有重要影响；同等连接条件下，非晶合金中各元素的扩散能力较差，Ni元素的扩散程度高于其他元素；连接后非晶没有发生晶化，连接界面处非晶合金与纯铝也没有发生反应。

非晶薄带；扩散焊；塑性变形

1 前言

非晶态合金又称金属玻璃，具有短程有序、长程无序的亚稳态结构特征。固态时原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定[1]。与晶态合金相比，非晶合金具有许多优异的性能，如高强度、高硬度、高电阻、耐蚀及耐磨等。然而非晶合金在工程应用中面临的一个主要问题就是非晶合金制备尺寸的限制，目前人们已经提出了一些获得高非晶形成能力（GFA）的经验准则[2，3]，虽然这些经验准则在开发大块非晶合金时具有重要的价值，然而非晶合金的成分设计一直没有成熟的理论，满足工程需要的大尺寸非晶合金制品的制备非常困难。因此，通过连接工艺获得较大尺寸的非晶合金，成为制备大块非晶合金并扩大其工程应用范围的一个重要方法。近些年来国内外在非晶合金连接领域取得了一系列的研究成果，主要包括：爆炸焊、电子束焊、电火花焊、激光焊、多层箔片自蔓延放热反应焊接、超声波焊、冷轧焊、搅拌摩擦焊和摩擦焊等[4-13]。然而到目前为止，非晶合金的扩散连接研究还相对较少，这一工作还处于起步阶段。本文进行了Al86Ni9Y5非晶薄带与纯铝的扩散连接实验，讨论了工艺参数对扩散连接的影响和界面元素的扩散情况。

2 实验方法

选用Al86Ni9Y5非晶薄带作为实验材料，所用原材料纯度大于99.9%。采用水冷铜坩埚悬浮熔炼设备熔炼母合金（为了保证母合金成分均匀，母合金熔炼五遍），用真空急冷甩带法制备出带厚为50μm、带宽为3mm的Al86Ni9Y5非晶薄带。熔炼和甩带过程均在氩气保护气氛中进行。

扩散焊实验在VDBF-250型真空扩散焊试验机中氩气保护气氛下进行，选用的实验参数范围为：温度230℃、260℃，压力 0.5MPa、1MPa、1.5MPa，时间 45min。焊接前，对Al片(厚度为160μm，纯度为99.999%）和Al86Ni9Y5非晶薄带依次进行砂纸打磨、超声波脱脂，目的是去掉试样表面的氧化物，使试样表面有较高的表面光洁度。试样经过表面处理后，为避免再次氧化，尽快放入扩散焊机的真空室进行焊接。通过D/max-2400型大功率转靶衍射仪（XRD）对扩散焊后试样进行分析，观察焊接后非晶薄带是否晶化。焊缝周围的元素扩散情况用电子探针和能谱仪进行分析。

3 结果与分析

（1）XRD 分析

图1为焊接前Al86Ni9Y5薄带的XRD衍射分析结果。图中没有尖锐的衍射峰，2θ角为38°附近有一个典型的非晶漫散射峰，证明制备出的Al86Ni9Y5薄带是完全非晶结构。

图2为扩散焊接完成后焊缝区的XRD衍射分析，图中除了铝元素的衍射峰并没有出现其它相应的晶态衍射峰，证明扩散焊接过程中非晶薄带并没有出现晶化现象，同时接触界面也没有发生反应。

（2）电子探针/能谱分析

采用电子探针/能谱分析观察扩散焊连接界面和元素扩散行为。图3为连接温度230℃、连接时间45min、连接压力分别为0.5MPa和1.5MPa条件下的电子探针照片及线扫描图谱。由图3（a）和图3（b）我们可以看出扩散焊焊缝都有氧化层的存在，这是由于Al元素非常活泼，处理好的洁净试样表面一旦与空气接触在10-12s级的时间内便会生成厚度达到纳米的稳定性极高的氧化膜，阻碍界面元素的扩散[14]。氧化膜的存在使得界面之间的元素互扩散困难，不能获得较好的扩散焊焊缝。实验时可通过施加合适的压力破碎表面氧化膜使试样基体显露出来达到近距离原子尺度接触。在0.5MPa的焊接压力下焊接时，试样表面的表面氧化层没有较好的破坏，如图3（a）纯铝和靠近纯铝一侧的非晶带氧化都相当严重，非晶带几乎被完全氧化掉了。当其它条件不变焊接压力增加到1.5MPa时，焊缝虽然仍有大量的氧化层，但是焊缝质量有所改善，没有断裂层的存在。

线扫描能谱分析排除了其它元素的干扰只保留了Al、Ni、Y三种元素的能谱曲线，其中红色、蓝色、紫色线谱分别为Al、Ni、Y三种元素的能谱曲线。两个能谱曲线图表明焊缝中三种元素含量极低，说明都没有形成良好的焊接接头。Ni、Y元素向纯铝中的扩散比较稳定，但扩散量非常有限，相对来说Ni元素的扩散程度高一些。

图4是在260℃-45min条件下，连接压力分别为0.5MPa和1.5MPa条件下的电子探针照片及线扫描图谱。在时间和压力一定的情况下，把连接温度提高到260℃（如图4（a）所示）焊缝质量得到了一定的改善，焊缝中有一层均匀的氧化层，但氧化程度没有230℃时的严重，这是由于适当提高焊接温度有利于试样的塑性变形，而塑性变形的增大促进试样表面氧化膜的破碎分离使界面接触更加紧密，扩散连接后没有出现图3（a）那样的非晶带完全氧化的情况。

在260℃-1.5MPa-45min焊接条件下，试样的塑性变形量进一步加大，氧化膜破碎更加充分，纯净的非晶合金和纯铝达到更加充分的近距离接触，促进了元素之间的互扩散。另一方面，在相对较高的温度下可以获得较高的扩散系数，从而使元素扩散更加充分得到较好扩散连接接头。

从四个不同扩散焊接条件下的线扫描能谱分析来看，260℃-1.5MPa-45min焊接条件下元素扩散最充分，非晶合金中的元素Ni向纯铝的扩散相对较好，且非晶合金-非晶合金没有出现元素的断层现象说明扩散焊接时氧化较少，焊接效果较好。

4 讨论

非晶态合金结构致密，并且其表面非常稳定不易发生反应，经表面处理后又会很快生成致密的钝化膜；纯Al在空气中容易氧化，在极短的时间里就会形成一层很薄的Al2O3氧化膜。通过扩散焊工艺参数的改变促进氧化层的破碎和排出，改善焊缝质量，提高界面原子的互扩散。

晶态合金的扩散连接是通过材料的塑性流动和界面原子的扩散再结晶而实现的。晶态合金扩散连接通常分为3个阶段：第一阶段为塑性变形使连接界面接触；第二阶段为扩散、界面迁移和孔洞消失；最后阶段为界面和孔洞消失[15]。然而对非晶合金来讲：第一，非晶合金的结构特殊，无晶界和位错等晶体缺陷，通常没有足够的晶界作为原子扩散的通道；第二，非晶合金的原子扩散能力小；第三，非晶合金的表面非常稳定不易发生反应，并且洁净的表面能快速形成致密的钝化膜。因此，非晶合金的扩散连接机理同晶态合金不同，并且连接的难度也较晶态合金的大。文献[16]基于块体非晶合金过冷液相区的超塑性和孔洞收缩模型，提出了BMGs的理论扩散连接模型。认为非晶合金的扩散连接过程有两个阶段构成，即塑性变形阶段和孔洞收缩阶段，而孔洞收缩是由原子扩散和塑性变形完成的。

在压力作用下，材料发生塑性变形，表面扩展，连接界面处两种材料表面的氧化膜破裂，纯净的非晶合金和Al基材显露出来。当连接时间和连接压力相同时，连接温度越高，材料的变形量越大，氧化膜破碎就越充分，则纯净的非晶合金和Al能够在较大面积上达到近距离接触，实现元素的互扩散；另一方面，元素扩散是一个热激活过程，较高的温度下，扩散系数提高，原子的扩散能力越大，从而也有利于元素的扩散。

5 结论

（1）扩散连接前后没有发生非晶合金的晶化，焊缝附近非晶合金与纯铝也没有发生反应。

（2）扩散焊接完成后焊缝中有氧化层的存在，260℃-1.5MPa-45min条件下焊缝中的氧化层较薄，形成了相对较好的焊接接头，元素扩散充分。其它焊接条件下焊缝中的氧化层较厚，且焊缝中相应元素含量极少，没有形成焊接接头。

（3）扩散焊接温度和时间一定时，提高焊接压力使材料的塑性变形量更大，氧化膜破碎就越充分，有利于形成良好的焊接接头；压力和时间一定，较高的焊接温度下，扩散系数提高，原子扩散能力就越大，有利于元素的扩散形成良好的焊接接头。

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Diffusion Bonding of Al86Ni9Y5Amorphous Ribbon w ith Pure Alum inum

SHEN BoZhi，LU Qi，WU Chaohui，SUN Hui，ZHANG YingMing，YUAN ZiZhou
（State Key Lab.of Gansu Advanced Non-ferrous Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

The d iffusion bond ing technology of Al86Ni9Y5amorphous ribbon w ith pure alum inum and the p roliferation behavior of atom s at its connec tion interface have been stud ied.The Al86Ni9Y5amorphous ribbon w ith a thickness of 50μm，a bandw id th of 3mm had been p repared by melt sp inning.After surface treatment，the amorphous ribbon and alum inum foil have been put into vacuum d iffusion weld ing equipm ent and connected before by XRD analysis and electron m icrop robe analysis.Experimental results showed that the d iffusion bond ing p ressure and tem perature had a major im pac t on the joint quality.Under same connec tion conditions each element of amorphous alloy had poor d iffusion ability though the diffusion level of Ni was higher than other elements.After connec tion，the amorphous had not crystallized and no react occurred at the interface of alum inum and amorphous alloy.

Amorphous ribbon；Diffusion weld ing；Plastic deformation

TG139+.8;

A；

1006－9658（2011）02－3

国家自然科学基金资助项目（项目编号：No.51061008）

2010－11－10

2010－167

沈博智（1984-），男，工学硕士，主要从事大块非晶合金的晶化研究

袁子洲（1964-），男，工学博士，教授，主要从事非晶态合金的晶化和超塑性，消失模工艺等方面的研究工作