[发明专利]用于焊接铜和铝的高熵合金钎料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，本发明还涉及该种合金钎料的制备方法。

背景技术

铜资源的全球性稀缺问题引起了国际社会的强烈关注，寻找铜替代品已刻不容缓，铝的电、热学性能与铜较为接近，是合适的铜替代材料，我国是贫铜富铝之国，“以铝代铜”是发挥我国资源优势的最佳选择。“以铝代铜”的技术关键是解决铝与铜之间的焊接问题，铝铜焊接属于异种金属之间的焊接，其难度较大，由于两种金属的熔点、熔化潜热和线膨胀系数等均存在较大的差异，且相互之间易发生反应而形成硬脆的金属间化合物相，不仅影响接头的使用性能，而且极易导致热裂纹，使得铜铝金属接头的制作困难。

基于两种金属之间所存在的物理化学性能方面的较大差异，应尽量避免Cu/Al金属之间的熔化焊接，钎焊是母材不熔化，靠填充金属熔化后充满间隙，并与母材之间进行溶解和扩散的焊接方法，特别适合异种材料的焊接，而且焊件变形小、设备简单、操作简便，具备在现场进行焊接的优点。目前铝铜钎焊存在的主要问题是，使用传统锌基钎料(Zn-Sn-Cu、Zn-Al-Cu)和铝基钎料(Al-Si-Mn、Al-Zn-Si)容易在接头中形成易熔的脆性Al-CuAl₂共晶化合物相，导致接头强度降低。将待焊件表面作镀Ni处理后进行的间接钎焊可明显减少金属间化合物的生成，但该法对金属间化合物厚度的控制不易，所形成的Cu/Al异种金属接头性能往往不尽人意。

现有的一种单辊快速凝固装置，装置简单，使用方便，在制备合金箔材过程中得到了很好的应用。近年来，人们应用高新科技在钎料成分控制及成形技术方面进行了大量的研究，制备出了填缝能力强、焊接温度低的非晶微晶态钎料，钎接工艺性能得到很大的改观，然而，非晶微晶钎料也不能从源头上解决因金属间化合物产生而引起的接头脆化问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，该合金钎料能抑制Cu/Al之间的化学反应，防止形成硬脆的金属间化合物相CuAl₂，可以获得具有单相面心立方固溶体微结构的高性能的铜铝金属焊接接头。

本发明的另一目的在于提供上述合金钎料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种用于焊接铜和铝的高熵合金钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一。

本发明所采用的另一技术方案是，一种上述用于焊接铜和铝的高熵合金钎料的制备方法，该方法按照以下步骤实施，

步骤A、熔配母合金：用高纯金属Ti、Al、Fe、Cu、Ni、Co、Sn、添加元素在超高真空电弧炉中熔配，具体步骤是：

A1、首先用硼酐将各种高纯金属进行净化处理，再按照原子百分比分别称量好各种高纯金属：总的百分比为100％，其中Ti 6％～14％、Al 10％～20％、Fe 10％～20％、Cu 15％～25％、Ni 10％～18％、Co 6％～14％、Sn 0.5％～4.5％、添加元素0.03％～3.5％，其中的添加元素选用Bi、Ga、In或RE其中之一；

A2、将步骤A1称量好的各种高纯金属，按照Cu-Sn、Cu-Ni、Ti-Al、Fe-Co-添加元素的组合分别进行熔配，得到四组中间合金；

A3、将步骤A2熔配好的四组中间合金，按照Cu-Sn与Cu-Ni、Ti-Al与Fe-Co-添加元素组合在一起进行二次熔配，得到两组二次中间合金Cu-Sn-Ni和Ti-Al-Fe-Co-添加元素；

A4、再将步骤A3得到的两组二次中间合金Cu-Sn-Ni与Ti-Al-Fe-Co-添加元素进行熔配，得到高熵母合金；

步骤B、应用单辊快速凝固装置制备高熵合金钎料，把步骤A熔配好的高熵母合金放入坩埚中，坩埚底部开有缝隙式喷嘴，反复“抽真空-充Ar气”过程3～5次之后，使用高频感应设备加热高熵母合金使其熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启电机带动辊轮旋转，将辊面线速度控制在5～40m/s，随即打开Ar气阀，高速Ar气流使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝固，沿辊轮切线方向甩出，得到高熵合金钎料箔材。