（材料加工工程专业论文）6063铝合金阶梯钎焊钎料、钎剂及工艺研究(1).pdf

南京航空航天大学博士学位论文 摘要 铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的结构材料，其中6 0 6 3 铝合金具有良好的成型性能、 机械加工性能、焊接性能和抗腐蚀性能而广受关注。目前，国内外雷达发射、接收机箱、信号处 理机箱广泛采用6 0 6 3 铝合金材料，随着相控阵等先进体制机载雷达的研制生产，为了实现更高 的功率密度和高可靠性，铝合金雷达机箱的结构设计日趋复杂，机箱的焊接需要采用“阶梯钎焊” 工艺以实现雷达轻量化、高可靠性的目标。根据以上特点，本文寻找出适用于保护气氛炉中高、 中温阶梯钎焊6 0 6 3 铝合金的钎料和改进型钎剂，同时研究了钎焊工艺的优化参数。 运用正交试验法，通过改变s i ，c u ，n i ，r e 元素的配比，研究含量的变化对a i s i - c u - n i r e 钎料的熔点、铺展性以及抗剪强度的影响，并通过扫描电镜及能谱分析了钎料内部显微组织： 通过研究发现，钎料的成分及加热温度是影响铺展面积的主要因素；对钎料显微组织分析可知， 钎料中黑色的脆性e ( c u a l 2 ) 相和区域偏析的絮状相不利于接头的性能，而具有面心立方固溶体 的基体相a ( 砧) 以及球状聚集的s i 相，使得钎料的力学性能优良。结果表明，c u 元素对钎料熔 点的影响最大，其次为n i ，s i ，r e 元素，钎料的熔点随着c u 含量的增加而急剧下降。 选用c s f - a i f 3 钎剂和k f 舢f 3 钎剂，研究了两种钎剂在6 0 6 3 铝合金表面不同温度下的去 膜效果，分析和探讨了钎剂与6 0 6 3 铝合金表面氧化膜的反应机制。研究发现，c s f - a i f 3 钎剂是 以反应、溶解的机制去除6 0 6 3 铝合金表面氧化膜的，n h 4 f 在高温下生成的h f 是c s f - a i f 3 钎 剂去膜的关键化合物。此外，h 2 0 的存在或形成促进了h f 的生成，从而加速了钎剂的去膜进 程 c s f - a l f 3 钎剂反应产物中没有发现c s f 和a i f 3 ，只有少量的c s a i f 4 存在。在5 7 0 下， k f - a i f 3 钎剂反应产物中以k a i f 4 为主，而在6 1 0 条件下，k a i f 4 已不存在，只有少量的k m g f 3 生成。研究还表明，在6 1 0 c 条件下，m g 、m n 元素和k a i f 4 将逐渐地消耗掉，使得钎剂熔点 急剧升高，导致钎剂流动性交差。 研究和探讨钎焊参数对6 0 6 3 铝合金的中温钎焊接头硬度强度、显微组织和耐腐蚀等的影 响。研究表明：在高温钎剂配合下，升温速率在1 5 c r a i n 以上时钎料即可获得良好铺展，而配 合中温钎剂时，对升温速率的要求高于高温钎剂。分别测试了焊后固溶处理、固溶加时效处理 及钎焊状态下三种钎焊接头的显微硬度。结果表明：时效处理后的接头硬度最大，钎缝与母材 硬度相差不大；固溶处理接头的钎缝处及扩散区显微硬度明显高于母材；钎焊状态下钎缝硬度 也较母材硬度高。测试了不同钎焊温度得到的这三种状态的接头剪切强度。结果表明：钎焊温 度为5 6 0 c 的接头剪切强度最高，钎焊温度越低强度越低。观察并分析了升温速率及保温时间 对接头显微组织的影响。结果表明：升温速率较慢时，c u a l 2 枝晶分散不均匀，保温时间过长 则s i 晶较粗大，c u a l 2 枝晶变化不明显。 6 0 6 3 铝合金阶梯钎焊钎料、钎剂及工艺的研究 采用正交试验法，通过改变s i 、c u 、n i 以及混合稀土r e 的配比，研究了含量的变化对 a i s i - c u - n i - r e 钎料的自腐蚀电位、失重质量、腐蚀速率的影响，并通过扫描电镜观察分析了 腐蚀前后钎料的内部显微组织。研究发现，钎料的自腐蚀电位与失重质量相对应，随着腐蚀电 位的负值增加，失重质量也不断增大。对各元素对腐蚀速率影响的情况分析结果表明，对钎料 腐蚀速率的影响依次为n i 的影响最大，其次为s i 、c u 、r e 。对钎料腐蚀前后的显微组织观察 分析可知，c y 是诱发钎料点蚀的主要原因。腐蚀后的钎料局部区域出现了点蚀，腐蚀后的钎料 有明显的网纹状晶间腐蚀。 关键词：6 0 6 3 铝合金；正交试验；铺展性；熔点；显微组织；氧化膜；钎剂；反应产物；腐 蚀速率；点蚀；晶间腐蚀 h 南京航空航天大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ea l u m i n u ma n di t sa l l o y sa r ew i d e l yu s e d 弱ak i n do fs t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yt h e a l u m i n u ma l l o y6 0 6 3i sv e r yp o p u l a rd u et oi t sg o o dp r o p e r t i e so ff o r m a b i l i t y , m e c h a n i s mw e l d a b i l i t y a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h ec h a s s i so fr a d a rt r a n s m i t t e r , r e c e i v e ra n ds i g n a lp r o c e s s i n g 玳 m a n u f a c t u r e dw i t l l6 0 6 3i nt h ew o r l d i no r d e rt ol i g h tt h ew e i g h ta n di m p r o v et h er e l i a b i l i t y , t h e s t e p p e db r a z i n gp r o c e s si sr e q u i r e dt ob r a z et h er a d a rc h a s s i sb e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r e i n t h i sp a p e r , b r a z i n ga l l o y sa sw e l l 嬲t h em a t c h e df l u x e s ，w h i c ha r es u i t a b l ef o rb r a z i n g6 0 6 3i nh i g h a n dm e d i u mt e m p e r a t u r ew i t hs h i e l d i n gg a sf u r n a c e ，a r es t u d i e d i nt h em e a n t i m e ，p a r a r n e t c r so f b r a z i n gp r o c e s sa r eo p t i m i z e d t h ee f f e c to fc o n t e n t so nt h em e l t i n gp o i n t s ，s p r e a d i n gp r o p e r t ya n ds h e a rs t r e n g t ho f a l - s i - c u - n i r ei sr e s e a r c h e db yc h a n g i n gt h el e v e lo fs i 、c u 、n i 、r ea c c o r d i n gt oo r t h o g o n a lt e s t m e t h o d t h em i c r o s t r u c t u r eo fb r a z i n gm e t a li sa n a l y z e dw i t hs e ma n de d s t h er e s u l t ss h o wt h a t t h es p r e a d i n ga r e ai sd o m i n a t e db yt h ec o m p o s i t i o no ff i l l e rm e t a la n db r a z i n gt e m p e r a t u r e ；1 1 舱b l a c k b r i t t l ep h a s e0 ( c ua 1 2 ) a n dm a c r o s e g r e g a t i o nf l o c c u l e n tp h a s ed e c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo ft h ej o i n t ， w h i l et h em a t r i xp h a s ea ( a 1 ) w i t hf a c e - c e n t e r e dc u b i cs o l i ds o l u t i o na n ds ip h a s ew i m c o n g l o b u l a t i o n f e a t u r em a k et h ep e r f o r c eo ft h ej o i n tb e r e r ；c ui st h em a i nf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h em e l t i n g p o i n t so ft h ef i l l e rm e t a l ，n e x ti sn i ，s ia n dr e t h em e l t i n gp o i n t so ff i l l e rm e t a ls h a r p l yl o w sa st h e c uc o n t e n ti n c r e a s e s c s f - a i f 3a n dk f - a 1 f 3s e r i e sf l u x e sa r cs e l e c t e dt or e s e a r c ht h ee f f e c to ft h ef l u x e so nr e m o v i n g t h eo x i d ef i l mo fa l u m i n u ma l l o y6 0 6 3a tv a r i e dt e m p e r a t u r e t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo ff l u xw i t h s u r f a c eo x i d ef i l mo fa l u m i n u ma l l o y6 0 6 3w a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr e a c t i o n a n ds o l u t i o n 眦t h em e c h a n i s mo fc s f - a i f 3r e m o v i n gs u r f a c eo x i d ef i l mf r o mm - a l l o y6 0 6 3a n dt h e h fg e n e r a t e df r o mn i - 1 4 fa th i 【g ht e m p e r a t u r ei st h ek e yc o m p o u n d m o r e o v e r , t h ep r e s e n c eo r f o r m a t i o no fh 2 0a c c e l e r a t e st h eg e n e r a t i o no fh f w h i c ha c c e l e r a t e st h es t r i p i n gr o t eo fo x i d ef i l m a c c o r d i n g l y n oc s fa n da 强3e x c e p ta l i t t l eo fc s 心iw a sf o u n di nt h er e a c t i o np r o d u c to fc s f - a i f 3 f l u x 硼舱m a i np r o d u c to fk f - a i f 3f l u xi sk a i f ( a t5 7 0 a n das m a l la m o u n to fk m g f 3b u tn o k a l f 4a t6 1 0 t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e st h a tm g ，m na n dk a l f 4w i l lb eg r a d u a l l yc o n s u m e da t 6 1 0 c ，w h i c hl e a dt os h a r pi n c r e a s i n go f m e l t i n gp o 硫a n dw o r s ef l o w i n gp r o p e r t yo f t h ef l u x t h ee f f e c to fb r a z i n gp a r a m e t e r so nt h eh a r d n e s s ，s t r e n g t h ，m i c r o s t r u c t u r e ，a n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo f6 0 6 3b r a z i n gj o i n ti ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t hb _ j i g ht e m p e r a t u r ef l u x ，t h e i i i 6 0 6 3 铝合金阶梯钎焊钎料、钎剂及工艺的研究 b r a z i n gm e t a ls p r e a d sw e l la b o v et h eh e a t i n gr a t eo f1 5 c m i n , b u tw i t hi n t e r m e d i a t ef l u x ，r e q u i r e sf o r h e a t i n gr a t ew i l lb eh i g h e rt h a nh i g l lt e m p e r a t u r ef l u x m i c r oh a r d n e s so ft h r e ek i n d so fb r a z i n gj o i n t s w i t hd i f f e r e n tt r e a t m e n ti st e s t e d r e s u l t si n d i c a t et h a tm i c r oh a r d n e s so fb r a z i n gj o i n ta f t e ra g i n gi s t h eh i g h e s t ，o fw h i c hh a r d n e s so ft h eb r a z i n gs e 覆i na n db a s em e t a li sa l m o s te q u a l h a r d n e s so f b r a z i n gs e a ma n d i t sd i f f u s i o na r e ao fb r a z i n gj o i n ta f t e rs o l u t i o ni so b v i o u s l yh i g h e rt h a nb a s em e t a l s h a r d n e s so fb r a z i n gs e a n la _ o e rb r a z i n gi sh i g h e rt h a nb a s em e t a l s ，e i t h e r s h e a rs l z e n g t ho ft h r e e k i n d so fb r a z i n gj o i n t sa td i f f e r e n tb r a z i n gt e m p e r a t u r ei st e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts h e a rs t r e n g t h o fb r a z i n gj o i n ta t5 6 0 1 2i st h eh i g h e s t ，w h i c hd e c r e a s e s 诵t l ib r a z i n gt e m p e r a t u r e e f f e c to fh e a t i n g r a t ea n dh o l d i n gt i m eo nr n i c r o s t r u c t u r eo fb r a z i n gj o i n ti sa n a l y z e d c o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tc u a l 2 d e n d r i t e sd i s t r i b u t eu n e v e n l ya ts l o wh e a t i n gr a t ea n ds ig r a i nb e c o m e sc o a r s eb u tc u a l 2d e n d r i t e s d o n tc h a n g es i g n i f i c a n t l ya f t e rl o n gh o l d i n gt i m e e f f e c to fc o n t e n t so fs i ，c u , n ia n dr eo nt h ec o r r o s i o np o t e n t i a l ，w e i g h tl o s sa n dc o r r o s i o nr a t e o fa 1 - s i - c u - n i - r ei ss t u d i e db yc h a n g i n gt h el e v e lo fs i ，c u ，n ia n dr ea c c o r d i n gt oo r t h o g o n a lt e s t m e t h o d t h em i c r o s t r u c t u r ei so b s e r v e dw i t hs e ma n de d sb e f o r ea n da f t e rc o r r o s i o nt e s t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o r r o s i o np o t e n t i a li sc o r r e s p o n d i n gt ow e i g h tl o s s ，t h ew e i g h tl o s si n c r e a s e d w i t ht h ed e c r e a s eo fc o n o s i o np o t e n t i a l n ii st h ed o m i n a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e sc o r r o s i o nr a t e ， f o l l o w e db ys i ，c u ，r e c 1 - i st h em a i nr e a s o no fi n d u c i n gb r a z i n gm e t a lt op i t p i t t i n go c c u r r e do n l o c a la r e ao f b r a z i n gm e t a lw h i c hh a so b v i o u s l yr e t i c u l a t ep a t t e r ni n t e r c r y t a u i n ec o r r o s i o n k e y w o r d s ：a l - a l l o y6 0 6 3 ；o r t h o g o n a lt e s t ；s p r e a d i n gp r o p e r t y ；m e l t i n gp o i n t ；m i c r o s t r u c t u r e ；o x i d e f i l m ；f l u x ；c o r r o s i o nr a t e ；p i t t i n g i v 南京航空航天大学博士学位论文 图表清单 表1 1 铝合金分类及性能特点。3 图1 1a 1 c u 合金平衡相图4 图1 2a 1 s i 合金平衡相图。5 图1 3a 1 m g 合金系平衡相图6 图1 4a 1 - m n 合金系平衡相图。6 表1 2 常用a 1 s i - c u 系钎料特点1 1 图1 5 k f - a i f 3 状态图。1 5 图1 6c s f - a i f 3 相图18 表2 16 0 6 3 铝合金的化学成分( w t ) 2 2 表2 26 0 6 3 ( t 6 ) 铝合金室温力学性能2 2 图2 1 氮气保护钎焊炉结构示意图：二2 3 图2 2 钎焊强度试验接头2 4 图2 3 炉中钎焊工艺流程2 5 图2 4 铺展性试验示意图2 6 图2 5 拉伸试样2 9 图3 1 试验流程：二3 2 表3 1 因素水平表3 3 表3 2 正交表及实验结果( w t ) 3 4 图3 2 中温钎料的d s c 曲线3 6 图3 3 合金元素对钎料熔点的影响3 8 图3 4 钎料铺展图4 1 表3 3 中温钎料铺展面积4 2 图3 5 钎焊接头强度试验接头4 3 表3 4 钎料接头拉伸试验结果4 4 图3 6a 1 s i - - c u 三元相图4 5 图3 7a 1 c u - n i 三元相图4 5 图3 8 显微组织及能谱分析4 6 图3 9 显微组织及能谱4 7 图3 10 显微组织的扫描图4 9 i x 6 0 6 3 铝合金阶梯钎焊钎料、钎剂及工艺的研究 x 表3 5 高温钎剂试验水平因素表5 0 表3 6 高温钎剂试验表5l 表3 7 高温钎剂熔点测试结果5 2 图3 1 1 部分钎剂d s c 曲线5 4 表3 8 高温钎剂铺展面积5 5 图3 1 2 高温钎剂铺展试验照片。5 6 表3 9 方案1 因素水平表5 7 表3 1 0 中温钎剂试验表5 7 表3 11 中温钎剂的熔点。5 8 表3 1 2 中温钎剂铺展面积5 9 图3 1 3 中温钎剂铺展试验照片6 0 图4 1a 1 s i - c u - n i 钎料铺展实物图“ 表4 1 钎料铺展面积结果。“ 图4 2a 1 s i 钎料铺展实物图。6 5 表4 2 钎料铺展面积结果6 5 图4 3 样品的x r d 衍射图谱6 8 图4 4 样品的x r d 衍射图谱7 2 图5 1 不同升温速率对应的钎料铺展面积7 7 图5 2 钎焊接头显微硬度分布7 8 图5 3 不同钎焊温度下的接头剪切强度7 9 图5 4 钎焊接头显微组织8 0 表5 1电化学性能测试结果8 l 图5 5 各元素含量对腐蚀速率影响曲线。8 4 表5 2 钎焊接头抗剪强度8 4 图5 6 浸蚀后的4 号钎料显微形貌8 5 图5 7 腐蚀后的4 号钎料显微形貌8 6 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 为了适用战争的需要，雷达在第二次世界大战期间得到了迅速发展，为战争的预警和监 控提供强有力的防御工具【1 1 。随着科学技术的进步，2 1 世纪军用雷达的特点主要体现在针对 低空和超低空突防的威胁、综合电子干扰的威胁、反辐射导弹的威胁以及雷达隐身技术的大 量采用【2 。3 1 。机载雷达在作战飞机上既是火力控制系统，又是航行保障系统。前者提供探测、 识别、跟踪、制导的功能，而后者则为飞机的战斗在复杂和低空飞行中提供地面显示。对于 民用飞机，全天候航行和着陆的安全完全依赖于机载气象雷达，可以说机载雷达是现代飞机 作战效能的高效倍增器和飞行安全的保护神，是体现飞机现代技术水平的最重要设备【4 】。 雷达是一个复杂的电子机械结构产品，先进体制和高性能雷达的研制离不开先进结构设 计和制造技术的支撑，“轻型化、小型化、组合化”是雷达结构永恒的发展主题，与此相适应， 研究开发和应用重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好的雷达结构材料以及研究新的连接方法来 实现结构成型是二十一世纪雷达研制工作的一个重要课题。 铝及其合金是有色金属中最重要的结构材料之一，铝合金的比重只有钢材的三分之一，比 强度高，同时又具有良好的导电、导热性能，优良的加工、表面处理和耐蚀性能，因此，铝合 金在现代雷达结构中得到广泛应用。作为可热处理强化的铝合金材料，6 0 6 3 铝合金材料具有中 等强度和较佳的焊接性能尤其是钎焊性能，同时机械加工、表面处理和导电、导热，耐蚀性能 优良，因此在国内雷达发射、接收机箱、信号处理机箱中得到广泛采用【5 】。 铝合金钎焊技术是雷达机箱研制生产的关键技术之一，随着相控阵等先进体制机载雷达的 研制生产，为了实现更高的功率密度和高可靠性，铝合金雷达机箱的结构设计日趋复杂，需要 采用二次及以上钎焊过程才能成型。这样，在二次( 多次) 钎焊成型时原始钎缝的重新熔化而 造成的密封问题就成为一个突出的难题，传统的单一温度的铝合金高温钎焊方法已经无法满足 研制工作的需要，需要研究开发更先进的铝合金中温钎焊工艺，采用高、中温钎焊相结合的“阶 梯钎焊一方法以实现雷达机箱轻量化、高可靠性的目标。 常用的6 0 6 3 铝合金钎焊方法主要有火焰钎焊、盐浴钎焊、真空钎焊和保护气氛炉中钎焊。 其中，火焰钎焊变形大，仅用于小型结构件的钎焊：盐浴钎焊采用腐蚀性氯化物熔盐钎剂，残 留钎剂的腐蚀性会造成机箱构件的腐蚀隐患；真空钎焊在真空气氛中加热焊接，虽无腐蚀隐患， 但钎缝成形质量差，不能满足复杂结构机箱，尤其是冷板机箱对密封性能的要求，同时，真空 钎焊效率较低。综合焊接质量、焊接效率和焊接成本，氮气保护气氛炉中钎焊是目前最理想的 铝合金机箱焊接方法【6 】 1 6 0 6 3 铝合金阶梯钎焊钎料、钎剂及工艺的研究 目前，常用的氮气保护炉中钎焊采用n o c o l o k 钎剂，它是k f a 1 f 3 的共晶体，对于3 ) o o ( 系列铝锰合金具有优异的钎焊活性，但对于含镁的6 0 6 3 铝合金，n o c o l o k 钎剂的活性大打 折扣，钎缝成形质量较差，尤其对于中、厚板6 0 6 3 材料，活性更差【7 。1 1 1 。 6 0 6 3 铝合金固相线温度6 1 5 ，液相线温度6 5 4 3 2 ，a 1 s i 共晶钎料的熔点为5 7 7 3 2 ，和 n o c o l o k 钎剂匹配，高温钎焊( 初次钎焊) 温度范围一般为5 8 2 1 0 。6 0 6 3 铝合金的固 溶温度为5 2 0 3 2 ，为了保证机箱整体钎焊后的强度，机箱二次钎焊的温度范围必须高于5 2 0 3 2 ， 同时，为了保证原始钎缝不熔化，二次钎焊温度又必须低于5 7 7 3 2 。综合考虑，某型号机箱设 计要求“初次钎焊”的温度范围为5 9 0 - - 6 1 0 3 2 ，二次钎焊温度为5 3 0 - 5 6 0 3 2 ，在这个温度下采 用无腐蚀钎剂实现6 0 6 3 铝合金机箱的氮气保护炉中钎焊，国内外均未见研究报道。 针对某型号用6 0 6 3 铝合金机箱设计要求，研究开发出钎焊温度在5 9 0 - 6 1 0 3 2 之间钎焊6 0 6 3 铝合金的钎焊工艺技术，其次根据“二次钎焊”的钎焊温度不能低于6 0 6 3 固溶温度的要求，也 就是说，。二次钎焊”与机箱的“固溶强化热处理”同时完成的技术难题，寻找出适用于中温钎 焊( 5 3 0 - 5 6 0 3 2 ) 6 0 6 3 铝合金的钎料和钎剂以及钎焊工艺的优化参数。研究6 0 6 3 铝合金雷达机 箱的阶梯钎焊工艺，为雷达机箱轻量化、高可靠性提供解决途径，因此，该研究具有极为重要 的工程应用价值。 1 2 铝合金概述 铝是地球上蕴藏最丰富的金属，铝及铝合金是工业上应用最广泛的有色金属材料之一， 在汽车、电力电子、机械设备、船舶、工民建、消费品、航空航天等领域得到广泛应用，目 前铝及铝合金的产量仅次于钢铁居有色金属的首位【1 2 1 和其它金属材料相比，铝及铝合金具有一系列优良的特性： 首先，铝及铝合金资源丰富，容易制取，成本低廉，适合工业化应用的需要。 第二。铝及铝合金的密度只有钢铁材料的三分之一左右，但强度较高，因此具有可与合 金钢相媲美的比强度和比刚性，作为一种重要的轻型结构材料，铝合金在航空航天，交通运 输及建筑行业得到了日益广泛的应用。 第三，铝及铝合金的导电、导热性能好。纯铝的导电性仅次于银、铜、金而居第四位， 因此，纯铝和某些低合金化的铝合金常被用来代替昂贵的铜，制作输电线、微波器件及其他 电子元件【1 2 】。铝的导热系数大约是铜的5 0 - 6 0 ，导热性能好，因此铝及铝合金常用于制造 热交换器、电热器具及汽车发动机的缸体等。 第四，铝及铝合金的化学性质活泼，在空气中极易与氧反应生成致密的氧化铝( a 1 2 0 3 ) 薄膜，这层薄膜与基体结合牢固，能阻止氧化的继续进行；氧化铝膜性质非常稳定，在旧膜 被破坏时能随时生成新膜，所以铝及铝合金能够充分抵抗大气、淡水、海水、浓硝酸及各种 2 南京航空航天大学博士学位论文 有机物的侵蚀，只有在碱及碱土金属卤化物的强烈作用下氧化铝( a 1 2 0 3 ) 膜才会遭到破坏， 因此铝合金被广泛应用于化学化工行业，以及用于制造日常生活用品【”】。 1 2 1 铝合金的分类 在纯铝中加入不同种类和含量的合金元素，可以改变其组织结构与性能，制成不同特性 的铝合金。铝合金中加入的合金元素主要有：硅、镁、锰、铜、锌、镍、钛及稀土元素。 根据合金元素的不同，以及铸造、锻造和熟处理等加工工艺性能特点，铝合金可分为变形铝 合金和铸造铝合金两大类。铝合金的分类及性能特点如表1 1 所裂1 2 l 。 表1 1 铝合金分类及性能特点 分类 合金名称合金系 性能特点 示例 铸造性能好，不能热处理 简单铝硅合金 a i s iz l l 0 2 强化，力学性能较低 a 1 s i - m g z l l 0 1 a 1 s i c uz l l 0 7 特殊铝堆合金 铸造性能好，可热处理 z l l 0 5 a 1 - s i - m g - c u 强化，力学性能较低 z l l l o 铸造铝合金 a i = s i - m g - c u - n i z l l 0 9 耐热性好，铸造性能与抗 铝铜合金a 1 c uz l 2 0 1 蚀性能差 铝镁合金 a 1 一m g 力学性能高，抗蚀性好 z l 3 0 l 铝一锌合金a 1 - z n 能自动淬火，宜于压铸 z l 4 0 1 铝稀土合金 a 1 1 沁 耐热性能好 不能热处理 a i m n 抗蚀性、压力加工性与焊 3 a 2 1 防锈铝 强化铝合金 a 1 - m g 接性能好，但强度较好5 a 0 5 变 2 a 1 1 形硬铝a l c u m g 力学性能高 2 a 1 2 铝 可热处理强劢0 4 合超硬铝 a 1 - c u - m g - z n 室温强度最高 金 化铝合金 7 a 0 9 a l m g s i 锻造性能好 6 0 6 3 锻铝 a 1 m g s i c u 耐热性能好2 a 1 4 3 6 0 6 3 铝合金阶梯钎焊钎料、钎剂及工艺的研究 1 2 2 铝合金中不同元素的作用 纯铝具有优异的导热、导电性能和很高的塑性，但强度、硬度较低，因此不能直接作为 结构材料使用，需要对其进行合金化，以大幅度提高其强硬度。 不同的合金元素在铝合金中形成不同的合金相，起着不同的作用。铝合金中通常加入的 主要合金元素有：铜、镁、硅、锰、锌、锂、钙，辅加的微量元素有：镍、铬、钪、锆、钛、 钒、硼、稀土元素等1 4 。1 7 1 1 2 2 1 铜元素的作用 图1 1 是a i - c u 合金平衡相图【埔l 。铜是铝合金中最重要的合金元素，有一定的固溶强化 效果，从图1 1 中可以看出，5 4 8 时，铜在铝中的最大溶解度为5 6 5 ，当温度降到3 0 2 时，铜的溶解度为0 4 5 。此外，a i - c u 合金中时效析出的c u a l 2 相有着明显的时效强化效果。 铝合金中铜含量在4 - 6 8 时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范 围。a 1 c u 合金中可以含有少量的硅、锰、镁、铁、锌等元素。 1 2 2 2 硅元素的作用 图1 1 i - c u 合金平衡相图 如图1 2 所示，通过砧s i 二元合金平衡相图可以看出此系为一共晶系，共晶点含( s i ) 1 2 2 ，在共晶温度5 7 7 c 时，硅在a 固溶体中的最大溶解度为1 6 5 共晶组织中的s i 相 在铸态呈现卷曲。虽然硅在合金中的溶解度随温度降低而减少，但灿s i 合金一般是不能热 处理强化的 若将镁和硅同时加入铝中就形成a i - m g s i 系合金，其强化相为m 9 2 s i ，m g 和s i 的质量 4 南京航空航天大学博士学位论文 比为1 7 3 ：1 。a 1 m g s i 系合金成分设计时，基本上按此比例配制镁和硅的含量1 9 2 1 1 。a 1 - m g s i 合金加入适量的铜，可以提高合金强度，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。 s i 合金具有极好的铸造性能和抗蚀性，一般作为铸造铝合金使用。变形铝合金中，a 1 s i 合金只限于焊接材料，如a a 4 3 4 3 、a a 4 0 4 5 、a a 4 0 4 7 铝合金。 图1 2a 1 - s i 合金平衡相图 1 2 2 3 镁元素的作用 图1 3 所示为a i - m g 合金相图。a i - m g 合金不可热处理强化，但具有中等强度和良好的 可焊接性、机加工性能和抗蚀性能，因此成为常用的铝合金焊接结构材料，如5 a 0 2 、5 a 0 3 、 5 a 0 5 等牌号。 根据a 1 m g 合金溶解度曲线，随温度的下降，镁在铝中的溶解度快速下降：由共晶温度 4 6 0 c 时的极限溶解度1 7 4 降低到2 左右；镁对铝合金强度的提高起到非常显著的作用， 文献【2 2 1 指出：在a 1 - m g 合金中每增加1 的镁，合金的抗拉强度( ) 大约升高3 4 m p a 。同 时，镁还可以与合金中硅、锌、锰等其它元素共同作用，提高合金的性能。但m g 的含量也 不能过高，当合金中m g 含量大于3 5 时，镁在铝中形成第二相1 3 ( m 9 2 a 1 3 ，m g s a l s ) ，可能 沿晶界、亚晶界析出，降低合金的塑性，所以在需要较高塑性的变形铝合金中m g 的含量一 般小于6 。 5 p。；苗k置g工 6 0 6 3 铝合金阶梯钎焊钎料、钎剂及工艺的研究 p - 三 乏 暑 二 1 2 2 4 锰元素的作用 图1 3a l - m g 合金系平衡相图 图1 4 所示为a 1 m n 合金相图。可以看出，在共晶温度6 5 8 ( 2 时，m n 在a 固溶体中的溶 解度最大，为1 8 2 a 1 m n 合金是非时效硬化合金，即不可以进行热处理强化，只能通过 冷作硬化 2 3 3 锰是最重要的铝合金化元素之一，可以单独加入铝中形成a 1 - m n 二元合金，更多的是和其 他合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有m n 。m n 通过m n a l 6 化合物弥散质点阻碍再结 晶晶粒长大，显著细化再结晶晶粒。同时阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度a i - m n 合金中m n a l 6 的另一个作用是能溶解杂质f e ，形成( s e 、m n ) a 1 6 ，减小f e 的有害影响。 6 图1 4a l - t i n 合金系平衡相图 南京航空航天大学博士学位论文 1 2 2 5 锌元素的作用 一 在变形条件下，在铝中单独加入锌对合金强度的提高作用十分有限，同时存在应力腐蚀开 裂倾向，因而限制了a i - z n 合金的应用。 根据文献2 4 1 ，在铝中同时加入z i l 和m g ，可以形成强化相m g z n 2 ，对合金产生明显的强化 作用。当m g z n 2 含量从0 5 提高到1 2 时，可显著提高合金的抗拉强度和屈服强度。调整z n 和m g 的比例，可以提高合金的抗拉强度和增大合金的抗应力腐蚀开裂能力 在a 1 - z n m g 基础上加入c u 元素，可以形成a l - z n - m g - c u 系超硬铝合金，其强化效果在所 有铝合金中最大，a a 7 0 7 5 等超硬铝合金是航空航天、电力工业上重要的铝合金结构材料。 1 2 2 6 微量元素和杂质的作用 钛是铝合金中常用的添加元素，钛和铝形成儆1 3 相，起细化铸造组织和焊缝组织的作 用；铬在铝中形成( c r m n ) a 1 1 2 和( c r f e ) a 1 7 等金属间化合物，妨碍再结晶的形核和长大， 对合金起一定的强化作用，还能改善合金应力腐蚀开裂敏感性和提高合金的韧性；锆也是铝 合金的常用添加剂，锆和铝形成z r a l 3 化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶眵5 1 。 铝合金中加入稀土元素，可使熔铸时的铝合金增加成分过冷，减少二次枝晶间距，细化 晶粒，减少合金中的气体和夹杂，并使杂质相趋于球化2 6 - 2 7 1 ；锶是表面活性元素，在结晶学 上锶能改变金属间化合物相的行为，因此采用锶元素进行变质处理，能改善合金的塑性加工 性能。在挤压用铝合金中加入锶，可以提高材料力学性能和塑性加工性。对于高硅变形铝合 金中加入锶元素，力学性能显著提耐2 8 】 。 硅和铁是铝合金中最常见的杂质元素，对合金性能有明显的影响。当铝合金中铁含量大 于硅含量时，形成o v f e 2 s i a l 8 ( 或f e 3 s i a l l 2 ) ，而硅含量大于铁含量时，形成& f e s i d 5 ( 或 f e z s i 2 a 1 9 ) 相。当铁和硅比例不当时，会引起铸件产生裂纹口9 】；在铝合金中有时还存在钒、 钙、铅、锡、铋、锑、镀及钠等杂质元素。这些杂质元素由于熔点高低不一，结构不同，与 铝形成的化合物亦不相同，因此对铝合金性能的影响各不一样。 1 2 36 0 6 3 铝合金一般性质 6