Zn-Al-Si钎料钎焊铜/铝接头显微组织及性能研究*

北京科技大学材料科学与工程学院 羊 浩 黄继华 陈树海 赵兴科

珠海格力电器股份有限公司 王 奇 李德华

铜/铝异种金属接头具有铜、铝2种金属高导电、高导热的特点，并能有效降低产品的生产成本和重量，是一种综合性能优异的复合构件，在航空航天、电工电子、空调制冷等领域有着广阔的应用前景[1-4]。在众多连接方法中，由于钎焊方法具有高效率、高精度、低成本和低残余应力等优点，是目前较为常见的铜/铝异种金属连接方法[1，3-4]。

Zn-Al钎料（特别是Zn-15Al和Zn-22Al）钎焊Cu/Al接头具有较高的抗剪切强度，被认为是目前较为理想的铜 /铝钎焊用钎料[1，3，5]。但是，由于 Al-Cu 之间冶金的不相容性及Al-Cu原子间较大的化学亲和力，采用Zn-Al钎料钎焊Cu/Al接头时，Cu母材/钎缝界面处易形成以Al-Cu化合物（CuAl、CuAl2等）为主的脆性界面层[1，3，6]。在外力作用下，该脆性界面层易萌生裂纹，接头往往断裂在该界面层处。减小铜/铝接头脆性界面层的厚度，可以有效抑制界面处裂纹的产生，显著提高接头的力学性能[3，7]。但是，目前缺少这种能有效抑制界面化合物生长，改善铜/铝接头界面结构的方法。

降低铜/铝接头的钎焊温度，可以降低接头界面处金属间化合物形成的可能性[8]。所以，选择一种熔点较低的钎料进行铜/铝接头的钎焊，是降低钎焊温度、抑制界面化合物生长的最直接方法。Zn-Al-Si钎料的主要组元与Zn-Al钎料相近，具有与Zn-Al钎料相近的机械加工性能，可以方便地制成丝或带的形式。更重要的是，由于适量Si元素的加入，Zn-Al-Si钎料较Zn-Al钎料具有更低的熔点[8-9]。所以，Zn-Al-Si钎料是一种潜在的铜/铝钎焊用钎料。但是，目前对Zn-Al-Si钎料钎焊铜/铝接头的显微组织、界面结构和力学性能的研究还未见报道。

本文选用Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si两种钎料，采用火焰钎焊方法获得铜/铝接头。研究了铜/铝接头Cu母材/钎缝界面结构，钎缝中心区显微组织，抗剪切强度和断口形貌，并阐释了钎缝界面结构与接头力学性能的关系，对新型铜/铝钎焊用钎料的研制有着重要的意义。

1 试验材料及方法

试验选用Zn-Al-Si钎料的成分分别为Zn-14.1Al-0.9Si（1#）和 Zn-21.5Al-1.5Si（2#），两种钎料的成分点均位于Al-Zn-Si三元相图[10]中的共晶线上。钎料采用99.995%纯铝、99.999%纯锌和99.999%的纯硅在坩埚熔炼炉中熔炼而成。同时，为了防止钎料合金在熔炼过程中被氧化，采用质量比NaCl:KCl＝1:1熔盐进行覆盖保护。

2种钎料熔点采用型号为CR-G型高温DTA差热分析仪进行测试，升温速度为15℃/min，采用氩气保护。钎料与铜、铝母材的润湿性按照GB/T11364-2008《钎料润湿性试验方法》进行测试，试 板 为40mm×40mm×3mm的1060纯 铝 板 和40mm×40mm×2mm的TP纯铜板。钎焊试验母材采用尺寸为60mm×20mm×3mm的1060纯铝板和尺寸为60mm×20mm×2mm 的TP纯铜板。试验前，先对母材进行化学处理，去除表面油污和氧化膜，清洗干净后风干备用。

铜/铝钎焊接头采用搭接方式装配，搭接长度为2mm，搭接间隙为0.3±0.5mm，接头装配方法见图1。钎焊过程中使用钎剂为无腐蚀CsF-AlF3钎剂，熔化区间为415℃～488℃。钎焊试验采用氧气—液化石油气火焰钎焊，钎焊完成后将接头空冷至室温。

图1 钎焊装配示意图Fig.1 Diagram of brazed specimen

铜/铝钎焊接头的显微组织、界面结构及断口形貌采用FEIQuanta 250型扫描电子显微镜进行观察分析。铜/铝钎焊接头的抗剪切强度按照国家标准GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》，采用MTS810型万能材料试验机进行测试。

2 结果与讨论

2.1 Zn-Al-Si钎料的熔化特性

图2为Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si钎料的DTA曲线。根据Zn-Al二元[8]和Zn-Al-Si三元相图[10]，在287℃～300℃之间，2种Zn-Al-Si钎料存在共析转变，而在390℃左右，2种钎料发生共晶转变。Zn-14.1Al-0.9Si钎料的熔化区间为386℃～440℃，Zn-21.5Al-1.5Si钎料的熔化区间为390℃～483℃，Zn-14.1Al-0.9Si钎料的熔点较Zn-21.5Al-1.5Si钎料低43℃。

图2 Zn-Al-Si钎料的DTA曲线Fig.2 DTA analysis of Zn-Al-Si filler metals

2.2 Zn-Al-Si钎料与母材的润湿性

Zn-14.1Al-0.9Si（1#） 和 Zn-21.5Al-1.5Si（2#）钎料在铜、铝两母材上的铺展面积如图3所示。Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si钎料在铝母材上的铺展面积分别为567mm2和601mm2，而在铜母材上的铺展面积仅为68mm2和64mm2，2种钎料在铝母材上的铺展面积明显大于在铜母材上的铺展面积，这与Zn-Al钎料在铜、铝两母材上的铺展规律极为相似[11]。从图3中还看出，Al含量较高的Zn-21.5Al-1.5Si钎料在Cu母材上的铺展面积略小于Zn-14.1Al-0.9Si钎料，而在Al母材上的铺展面积大于Zn-14.1Al-0.9Si钎料。这是由于，Zn-21.5Al-1.5Si钎料中较高的Al元素含量，促进钎料与Cu母材间形成Al-Cu金属间化合物，抑制了钎料在铜母材上的铺展[7]；同时，钎料中含量较高的Al元素，也抑制了钎料中Zn元素向铝母材中晶间渗透，进而促进了钎料在Al母材表面的铺展[8]。

图3 Zn-Al-Si钎料在母材上的铺展面积Fig.3 Spreadability of Zn-Al-Si filler metals

2.3 Zn-Al-Si钎料钎焊铜/铝接头的显微组织分析

2.3.1 火焰钎焊Cu/Zn-Al-Si/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构

图4为Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si钎料钎焊铜/铝接头的Cu母材/钎缝界面结构，两种钎料均能与Cu母材形成良好的冶金结合，界面处无明显孔洞、裂纹缺陷。图4（a）为Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al钎焊接头Cu母材/钎缝界面结构的显微组织。从图中看出，接头Cu母材/钎缝界面处存在一个极薄的连续界面区。图4（b）为该界面区中P区放大图，可进一步观察到，该界面区由浅灰色连续界面层A（2μm左右）和带有细小突起的深灰色界面层B（1～2μm）共同组成。根据之前文献[7，12]的研究结果和A、B界面层的能谱分析结果（见表1），界面层A是由Cu母材中的Cu原子与钎料中Al原子相互扩散而形成的扩散层，而界面层B是在Cu母材表面析出的Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物。可见，Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头的界面结构为Cu/扩散层/Al4.2Cu3.2Zn0.7层。

图4 Cu/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构Fig.4 Interface structure near Cu substrate of Cu/Al joint brazed by torch brazing

表1 火焰钎焊Cu/Al钎焊接头界面物相分析结果

图4（c）为Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al钎焊接头中Cu母材/钎缝界面结构的显微组织。从图中看出，接头界面区仍主要由一种深灰色物相组成，但界面区的厚度明显增大。图4（d）为该界面区中Q区放大图，进一步观察到，接头界面区由浅灰色界面层C（≤1μm）和带有突起的深灰色界面层D（3～4μm）共同组成。根据能谱分析结果，界面层C和D仍分别为扩散层和Al4.2Cu3.2Zn0.7层，接头的界面结构仍为Cu/扩散层/Al4.2Cu3.2Zn0.7。界面处Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层厚度增大是由于Zn-14.1Al-0.9Si 钎料熔点较高，钎焊Cu/Al接头时需要更高的钎焊温度，且钎料中Al元素含量较高，加剧了Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物在Cu母材表面析出[7]。

Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si钎焊接头的界面结构均为Cu/扩散层/Al4.2Cu3.2Zn0.7，这与成分极为接近的Zn-15Al和Zn-22Al钎料钎焊接头的界面结构差异较大。根据文献[3，6，11]研究结果，Cu/Zn-15Al/Al和Cu/Zn-22Al/Al接头中Cu母材/钎缝界面界面结构为Cu/CuAl2，且脆性CuAl2化合物层的厚度较大。显然，由较薄Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层的界面结构更有利于提高Cu/Al接头的性能。

2.3.2 Cu/Zn-Al-Si/Al接头中钎缝中心区显微组织

图5为2种Zn-Al-Si钎料钎焊Cu/Al接头钎缝中心区显微组织。Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头钎缝中心区显微组织如图5（a）所示，从图中看出 ，接头钎缝中心区由灰色物相E、亮白色物相F、层片状共晶组织G和细小的颗粒H组成。根据表2中的能谱分析结果和之前文献的研究结果[6，11]，灰色物相E为α-Al固溶体，亮白色物相F为η-Zn，共晶组织G为Zn-Al共晶，颗粒H为Si单质。

图5（b）为Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头中心区显微组织。从图中看出，接头组织由灰色物相I、亮白色物相J、层片状共晶组织K和细小颗粒L组成。根据能谱分析结果，Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头中心区物相组成与Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头一致，灰色物相I为α-Al固溶体，亮白色物相J为η-Zn，共晶组织K为Zn-Al共晶，颗粒L为Si单质。但是，由于Zn-21.5Al-1.5Si钎料较Zn-14.1Al-0.9Si钎料中Al元素含量高，Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头钎缝中α-Al固溶体的含量较高，而η-Zn和Zn-Al共晶的含量较低。

图5 Cu/Al接头钎缝中心区显微组织Fig.5 Microstructure of filler metal central zone of Cu/Al joint

表2 火焰钎焊Cu/Al钎焊接头钎缝中心区物相分析结果

值得注意的是，Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头中心区未发现CuAl2化合物。根据之前的研究结果，采用Zn-Al钎料（Zn-15Al和Zn-22Al）钎焊的Cu/Al接头中均存在块状脆性CuAl2化合物，CuAl2化合物增加了接头的脆性，恶化接头的力学性能[6，11]。Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al和 Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头中由固溶体和共晶组织组成的钎缝，更有利改善接头的韧性，提升接头的力学性能。

2.4 Zn-Al-Si钎料钎焊铜/铝接头的抗剪切强度

图6为2种Zn-Al-Si钎料钎焊Cu/Al接头的抗剪切强度。Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头的抗剪切强度分别为60.1MPa和55.6MPa，Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头的抗剪切强度较Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头高8%。2种Zn-Al-Si钎料钎焊Cu/Al接头的强度均达到了Al母材强度的80%，均具有较好的抗剪切性能。

图6 Cu/Al接头的抗剪切强度Fig.6 Shear strength of Cu/Al joint

图7 Cu/Al接头的断口形貌Fig.7 Fracture morphology of Cu/Al joint

图7为2种Zn-Al-Si钎料钎焊Cu/Al接头的断口形貌。图7（a）为Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头的断口形貌，从图中看出，该接头断口组织较为细小，由2种解理面M和N组成。通过能谱分析发现，解理面M的成分为48.78Al-37.37Cu-13.85Zn，解理面N的成分为22.12Al-54.06Cu-23.82Zn。根据2.3.1节中对Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头界面结构的分析，可以确定解理面M为Cu母材/钎缝界面处Al4.2Cu3.2Zn0.7层发生断裂而形成，而解理面N为界面处扩散层发生断裂而形成。

图7（b）为Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头的断口形貌。从图中看出，该接头的断口明显为脆性穿晶断裂，且断口组织较为粗大。对断口中解理面U进行能谱分析发现，该解理面成分为46.13Al-43.37Cu-10.5Zn，根据2.3.1节中Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头界面结构的分析结果，可以确定该接头断裂主要发生在界面Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层处。

3 结论

（1）Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头具有较优的界面结构，均为Cu/扩散层/Al4.2Cu3.2Zn0.7。且2种接头界面处金属间化合物Al4.2Cu3.2Zn0.7层的厚度较小，厚度仅为1～2μm和3～4μm。

（2）Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头钎缝中心区由α-Al固溶体，η-Zn固溶体，Zn-Al共晶和Si单质组成，钎缝中心区未发现CuAl2

化合物。

（3）Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接 头和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头的抗剪切强度分别为60.1MPa和55.6MPa，均具有较好的抗剪切强度。Zn-14.1Al-0.9Si较Zn-21.5Al-1.5Si钎料是理想的Cu/Al异种金属钎焊用钎料。

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