锡镍镀层对银钎料钎焊性能的熔化、反应合金化作用机制研究

It is a hard work for the brazing researchers to solve the brittle phases duiring the AgCuZnSn brazing alloys with an high Sn content. The melting and reactive alloying of SnNi based coating (SnNiIn or SnNiGa or SnNiP or SnNiMn ) on the AgCuZn brazing filler metals is one of the most reasonable solution. The aim of this project is to investigate the melting and reactive alloying mechanism of SnNi alloy coatings on brazability for silver brazing filler metals. The content of this project includes the following several aspects: (1) The thickness of SnNi based coating is to be designed, and the mathematical model of brazing filler metals composition and coating thickness is to be established. The influence of plating and diffusion parameters on the composition of brazing filler metals will be explored. (2) By using Fick's law and Arrehenius equation, the kinetic model of diffusion interface layer will be established, and the interfacial reaction mechanism of SnNi coating and brazing filler metal is to be revealed. (3) The dissolution kinetics model of the AgCuZn brazing filler metals in the liquid SnNi coating will be established, and the dissolution-reaction mechanism of the solid AgCuZn brazing filler metals in the liquid SnNi alloy is to be clarified. (4) The existence form of the SnNi coatings during the brazing seam will be researched. And the reason for the SnNi coating accelerates the melting of AgCuZn matrix fillers will be analyzed. The effect mechanism of the SnNi coatings on the brazability of silver brazing alloys is to be revealed. The results of the project could give useful guide for improving the microstructures and properties of silver brazing alloys. The research will have important theoretical significance and scientific value for solving the forming problem of AgCuZnSn brazing alloys with an high Sn content.

高性能高锡AgCuZnSn钎料存在脆性相是困扰钎焊工作者的重要难题，采用AgCuZn钎料表面镀覆锡镍基镀层，通过钎焊加热时钎料“熔化、反应合金化”是解决该难题的有效方法之一，但相关机理研究尚未明确。本课题拟就锡镍镀层对银钎料钎焊性能的熔化、反应合金化作用机制进行研究。具体内容包括以下四个方面：1）设计锡镍镀层厚度，建立钎料成分与镀层厚度的数学模型，探索镀覆、扩散参变量对钎料成分的影响规律；2）借助Fick定律、Arrehenius方程，构建扩散界面层生长的动力学模型，明确锡镍镀层/基体钎料的界面反应机理；3）建立钎焊加热时基体钎料在液态镀层中的溶解动力学模型，阐明固态钎料在液态锡镍合金中的溶解-反应合金化机理；4）分析钎焊过程中锡镍镀层加速钎料熔化的原因，揭示锡镍镀层调控银钎料钎焊性能的作用机制。本课题预期研究成果对于解决上述AgCuZnSn钎料的成形难题具有重要的理论意义和科学价值。

高性能高锡AgCuZnSn钎料存在脆性相是困扰钎焊工作者的重要难题，采用AgCuZn钎料表面镀覆锡镍基镀层，通过钎焊加热时钎料“熔化、反应合金化”是解决该难题的有效方法之一，但相关机理研究尚未明确。本课题系统研究了锡镍镀层对银钎料钎焊性能的熔化、反应合金化作用机制。项目获得的主要研究结果如下：1）获得了制备钎料的最佳热扩散工艺为：扩散温度220 °C，扩散时间24 h。该工艺制备的亚稳态钎料中Sn含量的极限为7.2 %，比传统方法提高约31 %。随着扩散温度升高、时间延长，钎料熔化温度降低，熔化温度区间缩小；揭示扩散界面层物相主要由Cu3Sn相和亚稳态Ag3Sn相组成；2）发现Sn、Ni元素在界面层分布均匀、无偏析。推导、建立200 °C和220 °C时扩散界面层生长的本构方程。阐明了界面反应机理为“钎接、互扩散、亚稳态、合金化”；3）解析了钎焊过程中锡镍镀层加速钎料熔化的原因，发现随着Sn（Ni）含量升高，亚稳态钎料钎焊接头的抗拉强度先升高后降低，同等Sn含量亚稳态钎料钎焊接头的抗拉强度略低于传统钎料钎焊接头的抗拉强度；4）采用非等温微分法、积分法两种数学方法，建立了钎焊加热时基体钎料在液态镀层中的溶解动力学模型，计算出钎料的相变活化能，获得相变速率常数与温度之间的变化规律，发现亚稳态钎料由固相转变为液相的速度比传统钎料快。本项目获得的上述研究结果，对于完善低熔点镀覆层调控银基钎料组织性能的理论以及解决高性能高Sn含量AgCuZnSn钎料的成形难题，具有重要的指导意义和科学价值。项目执行期间，负责人牵头获得河南省科技进步二等奖、中国腐蚀与防护科学技术一等奖各1项，在Journal of Materials Engineering and Performance、中国有色金属学报、焊接学报等国内外期刊上发表论文16篇，其中SCI检索 7篇、EI收录8篇、核心期刊1篇，取得授权发明专利11件，出版专著1部；同时，培养河南省优青、河南省教育厅学术技术带头人各1人，晋升教授、副教授各1人，培养硕士生2人。