叠层复合中间层的设计引入使镁合金与铝合金连接的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及镁与铝的连接领域，特别是一种设计并添加CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层结构，用电场活化连接技术对镁合金与铝合金进行低温、快速、高强连接的连接方法。
【背景技术】
[0002]镁与铝都是有色轻金属，都具有比其它有色金属、钢铁等材料更优良的特性。铝的密度小，只有2.7g/cm3;有高比强度、比刚度，有优良的导电、导热性能；良好的耐腐蚀性能和塑型加工性能等优点。镁资源十分丰富，总储量估计在100吨以上；大多数镁合金比强度明显高于铝合金和钢，弹性模量低可以避免过高的应力集中，具有良好的减震性，切削性能和铸造性能良好；镁合金以其优良的导热性、可回收性、抗电磁干扰和优良的屏蔽性能等特点，被誉为“绿色工程材料”，广泛应用于冶金、汽车、航空航天、光学仪器、计算机、电子与通信、电动、风动工具及医疗设备等领域。镁与铝在性能上具有一定的相似性，应用领域都很广泛，为了满足一些特殊的要求和用途，研究镁合金与铝合金的连接问题十分有必要。
[0003]镁与铝的连接按照焊接母材在焊接时的状态分为熔焊和固相焊。镁与铝的物理性质相差较大，且二者化学性质活泼，抗氧化性能差，熔焊时焊缝区易产生裂纹、气孔、变形等焊接缺陷；镁与铝用传统的固相焊接方法焊接时，焊接接头界面极易产生大量的高硬度脆性的Mg-Al系金属间化合物层，严重降低了镁铝焊接接头的力学性能。近年来有学者希望通过添加中间层来解决镁与铝直接焊接强度低的问题。赵丽敏等用热镀的方法在镁与铝表面镀锌合金后焊接，锌合金中间层的添加有效阻止了镁与铝之间直接的相互扩散，阻止了脆性镁铝系金属间化合物的生成，提高了焊接接头的强度(参见文南犬:L.M.Zhao and Z.D.Zhang.Effect of Zn alloy interlayer oninterface microstructure and strength of diffus1n-bonded Mg - Al joints.Scripta Materialia, 2008，(58): 283 - 286.)。王仪宇等通过磁控派射在镁与招表面沉积银薄膜后进行焊接，银薄膜的添加避免Mg-Al系金属间化合物的生成，接头强度达到 14.5MPa (参见文南犬:Yiyu Wang, Guoqiang Luo, Jian Zhang, Qiang Shen, LianmengZhang.Microstructure and mechanical properties of diffus1n-bonded Mg -Al joints using silver film as interlayer.Materials Science&EngineeringA, 2013，(559):868 - 874.)。张建等添加镍箔铝薄膜复合中间层，用磁控溅射在镁表面沉积铝膜，然后在镁与铝之间添加镍箔进行扩散焊接，添加复合中间层同样阻止了高硬度脆性镁铝金属间化合物的生成，进一步提高接头强度，焊接接头剪切强度达25.8MPa(参见文南犬:Jian Zhang, Guoqiang Luo, Yiyu Wang, Yuan Xiao, Qiang Shen, Lianmeng Zhang.Effect of Al thin film and Ni foil interlayer on diffus1n bonded Mg - Aldissimilar joints.Journal of Alloys and Compounds, 2013, (556): 139 - 142.)。目前，镁与铝异种金属设计并添加复合中间层，并在低温活化快速连接连接尚未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种设计并引入CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层，并通过电场活化连接技术对镁合金与铝合金进行快速、低温、高强连接接的方法。
[0005]本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:
[0006]本发明提供的是一种叠层复合中间层的设计引入使镁合金与铝合金的连接方法，具体是:首先在镁合金与铝合金表面沉积CuNi合金薄膜作为防止铝镁基体表面氧化及金属间化合物生成的阻隔中间层，然后在CuNi合金薄膜层之间添加Ag降低CuNi中间层的连接温度，构成CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层，再将含CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层的镁合金与铝合金待连接件的装配，最后采用电场活化连接工艺，将含CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层的镁合金与铝合金在温度为380?420°C条件下保温Os?750s，实现含CuN1-Ag-CuNi叠层中间层的镁合金与铝合金的高强连接。
[0007]所述的CuNi合金薄膜中Cu原子占40%?60% (at% ) ο
[0008]所述的CuNi合金薄膜厚度为0.5 μ m?3 μ m。
[0009]所述的Ag的质量纯度为99.99 %，厚度为5 μ m?35 μ m。
[0010]所述的电场活化连接工艺为:轴向压力为3?lOMPa，真空度〈10 1Pa,活化时间为20?100s，电流为50?200A，升温速率为80?150°C /min，在380?420°C保温Os?750so
[0011]所述的铝合金为LY12或6061铝合金，或者铝合金由纯铝替换。
[0012]所述的镁合金为AZ31B或MB2镁合金，或者镁合金由纯镁替换。
[0013]本发明与现有技术相比具有以下主要特点:
[0014]1.在镁合金与铝合金表面沉积CuNi合金作为阻隔层，对镁合金与铝合金表面改性，减少了待焊面的氧化；其次，采用沉积方式的中间层与基体有良好的结合，提高了连接阶段的原子接触，降低了原子扩散激活能和连接难度。
[0015]2.设计并引入的CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层，有效阻止了Mg、Al原子之间的直接扩散，Ag的加入降低了 CuNi之间的焊接温度。较低的焊接温度使得焊接接头各个界面:Mg合金与CuNi合金薄膜之间、Ag箔与CuNi合金薄膜之间、Al合金与CuNi合金薄膜之间形成固溶体，而不是脆性金属间化合物，保证了高强连接。
[0016]3.采用利用电场活化连接工艺使得连接温度进一步降低，电场活化连接的初始阶段利用直流脉冲电压在焊接界面之间产生的分散高温等离子体，对被焊材料进行表面净化、活化和均匀加热；采用直流电直接对石墨磨具和模具内的含CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层的镁合金与铝合金待焊件进行通电加热，具有很高的热效率，加热速度快、烧结时间短，极大缩短焊接工艺周期。
[0017]4.本方法工艺简单，周期短，适应性强，利与推广，适用于其它异种金属材料的低温、快速、高强连接。
[0018]总之，本发明通过在镁合金与铝合金表面沉积CuNi层，对镁合金与铝合金表面改性，利用CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层有效的避免了连接界面脆性的Mg-Al系金属间化合物以及其它金属间化合物的产生；采用电场活化连接技术，在真空条件下实现了镁合金与铝合金低温、快速、高强焊接，降低了连接温度、缩短连接工艺周期、提高了连接接头的可靠性。在焊接温度为400°C，焊接压力为5MPa的条件下保温lOmin，得到的焊接接头的剪切强度为 55.8MPa。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的工艺流程图。
[0020]图2是利用磁控溅射技术在铝合金表面沉积1.5 μ m厚度的铜镍合金薄膜的表面(a)及断面(b)显微结构扫描电镜二次电子图。
[0021]图3是焊接温度400°C，焊接压力5MPa，保温时间600s焊接条件下焊接接头界面显微结构扫描电镜背散射电子图。
[0022]图4是焊接温度400°C，焊接压力5MPa，保温时间600s焊接条件下焊接接头界面元素分布的线扫描图。
[0023]图5是焊接温度400°C，焊接压力5MPa，保温时间600s焊接条件下焊接接头Mg侧断口显微结构扫描电镜背散射电子图。
[0024]图6是焊接温度400°C，焊接压力5MPa，保温时间600s焊接条件下焊接接头Al侧断口显微结构扫描电镜背散射电子图。
【具体实施方式】
[0025]本发明提供的设计并引入CuN1-Ag-CuNi叠层复合中间层的镁合金与铝合金待连接件的电场活化连接方法，其主要工艺流程如下，首先