简介概要

铝合金热管低温扩散钎焊接头组织性能与扩散机制研究

来源期刊：稀有金属2013年第6期

论文作者：代国琴曲文卿庄鸿寿

文章页码：851 - 856

关键词：热管;低温扩散钎焊;中间层;

摘要：航天级铝合金热管对装配连接提出了大功率高热流密度散热要求,传统胶接方式存在使用寿命短,可靠性差等缺点难以满足要求,针对铝合金热管进行了低温装配金属键连接试验研究。采用新型中间层材料成功的实现了6061铝合金的低温扩散钎焊。通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）对接头微观组织和成分进行分析。结果表明,中间层镓和铜通过相互扩散形成了新相CuGa2;对保温温度为80℃、扩散时间分别为5 h/10 h/20 h的接头组织进行观察,发现扩散时间越长,镓和铜相互扩散越充分,中间层中残留的铜和镓越少,形成的接头组织越均匀致密;对界面传热系数和耐温性能进行了测试,结果表明金属键连接有很高的传热系数达到82362 W·（m2·K）-1,充分满足航天级热管大功率高热流密度散热要求;接头的耐温温度达到300℃,在300℃时,接头没有出现任何液化和重熔现象;最后通过对铝合金低温扩散钎焊过程的分析探讨了其中间层的扩散机制。

稀有金属 2013,37(06),851-856

铝合金热管低温扩散钎焊接头组织性能与扩散机制研究

代国琴曲文卿庄鸿寿

北京航空航天大学机械工程及自动化学院

摘要：

航天级铝合金热管对装配连接提出了大功率高热流密度散热要求, 传统胶接方式存在使用寿命短, 可靠性差等缺点难以满足要求, 针对铝合金热管进行了低温装配金属键连接试验研究。采用新型中间层材料成功的实现了6061铝合金的低温扩散钎焊。通过扫描电镜 (SEM) 和能谱分析 (EDS) 对接头微观组织和成分进行分析。结果表明, 中间层镓和铜通过相互扩散形成了新相CuGa2;对保温温度为80℃、扩散时间分别为5 h/10 h/20 h的接头组织进行观察, 发现扩散时间越长, 镓和铜相互扩散越充分, 中间层中残留的铜和镓越少, 形成的接头组织越均匀致密;对界面传热系数和耐温性能进行了测试, 结果表明金属键连接有很高的传热系数达到82362 W· (m2·K) -1, 充分满足航天级热管大功率高热流密度散热要求;接头的耐温温度达到300℃, 在300℃时, 接头没有出现任何液化和重熔现象;最后通过对铝合金低温扩散钎焊过程的分析探讨了其中间层的扩散机制。

关键词：

热管;低温扩散钎焊;中间层;

中图分类号： TG454

作者简介：代国琴 (1988-) , 女, 河北人, 硕士研究生;研究方向:新型材料连接技术;曲文卿 (E-mail:quwenqing@buaa.edu.cn) ;

收稿日期：2013-04-22

基金：国家自然科学基金项目 (51418050311HK0118) 资助;

Structure Performance and Diffusion Mechanism of Aluminum Alloy Heat Pipe Low-Temperature Diffusion Brazing Joints

Dai Guoqin Qu Wenqing Zhuang Hongshou

School of Mechanical Engineering & Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics

Abstract：

Aerospace-grade aluminum heat pipe had a high requirement of superpower and high heat flux removal in assembly bonding. Traditional cementing method was difficult to meet the requirements because of short service lifetime and poor reliability. A connection method of metallic bonding at low temperature used for aluminum alloy heat pipe was studied. The 6061 aluminum was successfully bonded with a new kind of intermediary material. The microstructure and composition of the joints was analyzed by scanning electron microscopy ( SEM) and energy dispersive spectroscopy ( EDS) . The results showed that a new phase CuGa2was formed during the diffusion of the intermediary material Ga and Cu. The joints which were preserved under the temperature of 80 ℃ and diffused for 5 h /10 h /20 h each were observed. It was found that with more diffusion time, Ga and Cu diffused more adequately, Ga and Cu remained in the middle layer were less, and the joint structure formed was more uniform and compact. The coefficient of interface heat transfer was tested and the results suggested that the metallic bonding had a high coefficient which was about 82362 W· ( m2·K) - 1and fully met the requirements of aerospace grade heat pipe's high-power and high heat flux removal. The heat resistance performance of the joint was also tested and the results indicated that the melting point of the joint microstructure was higher than 300 ℃ and the joints showed no liquefaction and remelting phenomenon at the temperature of 300 ℃. Finally, through the analysis of the aluminum alloy low-temperature diffusion brazing process, the interlayer of the joints diffusion mechanism was discussed.

Keyword：

heat pipe; low-temperature diffusion brazing; interlayer;

Received： 2013-04-22

热管是航天器热控系统的重要组成, 具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、流动方向可逆性、恒温特性和良好的环境适应性等优点^[1], 主要任务是确保航天器上所有的仪器设备、生物的环境温度都处于要求的温度范围内。我国从20世纪70年代就开始研究航天器热管技术^[2]。热管技术得到不断发展, 热管的发展从传统热管、毛细力热管和环路热管, 到最近几年成为研究热点的机械泵驱动环路式热管发展过程, 而热管装配的界面传热问题一直是个难点^[3,4,5]。

目前国内在界面传热技术方面开展了大量研究和应用工作, 如采用导热硅脂、导热硅橡胶以及铟箔等软金属材料作为强化界面传热的材料^[6], 但都只能应用于小热流密度的传热技术中, 并且胶粘剂属于高分子化合物, 导热效果差, 会造成热管回路热传输效率降低, 同时粘接结构的使用寿命短, 可靠性差, 在长时间冷热交变载荷作用下容易失效;而国外已经发展了界面强化传热的金属键连接结构, 20世纪80年代后期, 据称前苏联科学院乌拉尔分部化学所研制成一种无银低温钎料, 连接温度极低 (40~60℃) , 然后经80~100℃处理, 便可和母材一起承受700℃高温, 可适用于同种和异种金属的连接, 且具有成本低、缓解或消除残余应力、不需钎剂等优点, 该项技术已经在俄罗斯卫星制造过程中得到应用。

本文探索了铝合金热管的金属键连接方式, 采用一种特殊的中间层材料对6061铝合金进行低温扩散钎焊, 在80℃的保温条件下研究了不同保温时间对6061铝合金低温扩散钎焊的影响以及在保温过程中中间层材料的扩散机制。

1实验

本实验所用母材是6061铝合金, 表面进行镀膜处理, 中间层材料以镓为基体, 添加的主要合金元素为铜。

把表面镀膜铝合金试件切成15 mm×5 mm×2 mm的小试件。焊前作去粗糙度和清洁处理, 调制中间层材料。在准备好的两个铝合金试片上均匀涂抹调制好的中间层材料然后搭接在一起;采用工装施加一定的压力, 放在电阻炉中作保温处理。保温温度为80℃, 保温时间分别采用5, 10, 20 h, 完成连接过程。

用Olympus B×51M规格的光学显微镜和JSM-5800扫描电子显微镜进行接头界面组织形貌和化合物分布的分析, 并用EDS进行接头成分分析。

对连接好的试件进行了耐温实验, 耐温实验在电阻炉中进行, 耐温时间为10 min。耐温温度为300℃。两个尺寸为15 mm×5 mm×2 mm的试样进行搭接, 搭接面积为40 mm²。分别在每个铝片上打孔, 以便吊挂砝码。

对铝合金热管模拟件采用专用测试台进行了界面导热系数测试。

2结果与讨论

2.1 耐温测试与界面导热系数测试

把连接好的试件在电阻炉中进行了耐温实验, 耐温温度为300℃, 耐温时间为10 min。实验结果显示低温扩散钎焊接头的在300℃条件下, 接头未发生重熔或组织液化的现象。

对连接好的热管模拟件采用专用测试台进行界面导热系数的测试, 分别与界面干接触和导热脂热耦合两种情况的界面导热系数进行了对比。试验结果显示界面干接触的导热系数为3389W· (m²·K) ^-1, 导热脂的界面导热系数为38165W· (m²·K) ^-1, 采用低温扩散钎焊焊接的热管模拟件的界面导热系数为82362 W· (m²·K) ^-1。

2.2 接头微观组织分析与保温时间对扩散质量的影响

图1 (a) 是保温温度80℃、保温时间20 h, 一定压力条件下的6061铝合金低温扩散钎焊接头显微组织, 图1 (b) 是图1 (a) 的局部放大图, 接头由4部分组成, 其中A是由调制的低温钎料相互扩散反应形成的区域, B为液态镓层与镀层相互反应扩散形成的区域, C为镀层, D为6061铝合金母材。

图1 6061铝合金低温扩散钎焊接头形貌Fig.1 Joint morphologies of 6061 aluminum alloy at holding temperature of 80℃and holding time of 20 h

(a) 80℃/20 h; (b) Local amplification figure of Fig.1 (a)

由图可见在靠近镀层的区域B, 形成了薄薄一层40μm左右的均匀的浅灰色新相, 新相中没有铜残留;靠近区域B的区域A也形成了均匀的浅灰色新相, 与区域B不同的是新相中夹杂着未完全扩散溶解的铜相。

对80℃、20 h条件下的接头进行了定点能谱分析和接头线扫描。图2 (a~f) 中点的能谱分析数据如表1所列。从定点能谱数据可以看出, 灰白相 (图2 (a) ) 铜镓原子分数比为1∶2, 根据铜镓二元合金相图^[7], 为Cu Ga₂化合物。灰相 (图2 (c) ) 铜原子分数为95.31%, 说明接头中间层中灰相为未扩散溶解的铜。而图2 (b) 中铜原子分数为60.29%, 成分点介于灰白相和灰相之间, 是铜和镓相互扩散的过渡区形成了γ₃相。图2 (d) 中黑点的地方铜原子分数为30.21%, 镓原子分数为69.79%, 镓比Cu Ga₂相中镓含量略高, 猜测其中含有未扩散完全的镓。对接头其他部位黑色的地方进行能谱分析 (如图2 (e) , (f) ) 发现这些地方的镓原子分数都超过了66%, 说明接头中间层发黑的地方确实存在未扩散完全的镓。扩散时间越长, 镓铜扩散越充分, 在此期间未来得及扩散的镓逐渐被固态的新相Cu Ga₂挤压成点状或线状分布在Cu Ga₂中。因为残余的镓很少, 所以能谱分析测不出单独的纯镓相只能测出如表1中所示Ga和Cu Ga₂的混合组织。

图2 接头中间层成分分析Fig.2 Interlayer composition analysis of joint

(a) Point 1 (light gray phase) /Point 2 (transition area) /Point 3 (gray phase) /Point 4 (black point phase) ; (b) Points 5 and 6 (black line phase)

表1 中间层成分原子分数Table 1Points composition of interlayer by EDS (%, at-om fraction) 下载原图

表1 中间层成分原子分数Table 1Points composition of interlayer by EDS (%, at-om fraction)

研究了相同温度、不同保温时间5, 10, 20 h条件下接头的微观组织, 如图3所示。保温5 h时, 明显看到中间扩散区域残留较多铜且颗粒比较大;当延长保温时间到10 h时, 接头中铜比5 h时有所减少且铜变小, 当保温时间达到20 h时, 接头中铜数量显著减少且铜颗粒明显变小。保温时间是低温扩散钎焊过程中很重要的一个工艺参数, 一般保温时间越长, 中间层合金元素扩散越充分均匀。

2.3 扩散机制

本文6061铝合金低温扩散钎焊采用的中间层钎料以Ga为基体, 添加的主要合金元素为Cu。扩散钎焊过程扩散温度为80℃, 镓的熔点29.8℃, 在整个保温过程中, 镓均以液态形式存在。液态镓包裹着固态铜, 液相镓的存在大大缩短了原子间的扩散距离, 使镓与铜容易发生扩散反应, 形成Cu Ga₂化合物^[8,9]。

图4描述了6061铝合金低温扩散钎焊过程中中间层合金元素相互扩散反应形成新相的过程。合金元素相互扩散之前, 液态镓包裹着固态铜如图4 (a) 所示。随着保温时间的延长, 由于不同物质之间的原子浓度差, 液态的镓开始向铜中扩散, 镓在铜中溶解度比较大, 开始形成富铜固溶体α-Cu, 随着镓的继续扩散, 镓与α-Cu形成CuGa₂^{[10,11,12,13]}, 围绕在铜的周围如图4 (b) , 在液态镓扩散的过程中, 邻近的铜会相互靠近聚集形成比初始尺寸大的铜颗粒。随着保温时间的延长液态镓继续通过Cu Ga₂向铜中扩散形成Cu Ga₂, 液态镓越来越少如图4 (c) 。继续保温到10 h, 合金元素通过相互扩散形成的新相连成一片, 包裹着未完全溶解的铜和未完全扩散的镓如图4 (d) 。继续保温扩散, 未扩散完全的镓继续通过Cu Ga₂向铜中扩散, 但此时扩散的速度越来越慢, 因为生成的Cu Ga₂越来越多, 镓向铜中扩散的距离越来越远。图4 (e) 为扩散到20 h的示意图, 此时残余的铜已经很少, 残余的镓更少, 与Cu Ga₂混合存在, 能谱分析已经分析不出单独的镓相。理论上继续保温扩散, 镓会继续向铜中扩散, 只要镓铜比例合适, 最终会在接头处形成单一相Cu Ga₂如图4 (f) 。

需要说明的是在本实验中, 除了上面描述的扩散过程外, 还有另外一种扩散形式的存在, 镀层和液态镓之间的固液界面扩散^[14,15]。本实验中它不是主要的扩散形式。

图3 80℃不同保温时间条件下的接头形貌图Fig.3Morphologies of different joints with holding temperature of 80℃and different holding time

(a) 80℃/5 h; (b) 80℃/10 h; (c) 80℃/20 h

图4 中间层的扩散过程 (黑色相为铜、灰色相为Cu Ga2、白色液相为镓) Fig.4 Diffusion process of interlayer (black phase referring to Cu, gray phase referring to Cu Ga2, white phase referring to Ga)

(a) 0 h; (b) 3 h; (c) 5 h; (d) 10 h; (e) 20 h; (f) Continue diffusion