釬焊后自然時效對3003/6xxx/3003復(fù)合鋁合金性能和組織的影響

摘要：以6xxx系鋁合金為芯材，3003鋁合金為兩側(cè)皮材，經(jīng)熔煉、鑄造、復(fù)合、熱軋、冷軋及成品退火制備了厚度為1.5 mm的3層復(fù)合鋁合金。在600℃下模擬釬焊，經(jīng)空冷后進(jìn)行1、5、10、15、20、25、30 d的自然時效。結(jié)果顯示：復(fù)合鋁合金的強(qiáng)度、維氏硬度在自然時效初期快速增加，20 d后上升緩慢，30 d時抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、芯材維氏硬度達(dá)到最大，分別為242.3 MPa、122.9 MPa、84.0；芯材晶粒尺寸釬焊后較釬焊前略微長大，經(jīng)不同自然時效時間的芯材晶粒平均尺寸大小相當(dāng)，表明自然時效不改變芯材晶粒的大?。烩F焊后以及經(jīng)自然時效之后芯材中標(biāo)識出的第二相為不規(guī)則的AlFeSiMnCu相。

關(guān)鍵詞：釬焊；自然時效；6xxx系；復(fù)合鋁合金

中圖分類號：TG 146.2+1;TG 47文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Effects of the natural aging time after brazing on properties and microstructures of 3003/6xxx/3003 cladding aluminum alloy

CAO Qi1，2，ZHAO Na1，YANAn1，ZHOU Dejing1

（1.Yinbang Clad Material Co.，Ltd.，Wuxi 214145，China;2.College of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Abstract：Taking 6 xxx series aluminum alloy as core material and 3003 aluminum alloy as coating material on both sides，three layer cladding aluminum alloy with thickness of 1.5 mm was prepared by melting，casting，cladding，hotrolling，cold rolling and annealing.Natural aging was carried out for 1，5，10，15，20，25，30 d with air cooling by computational simulations of the brazing process at 600℃，respectively.The results show that the strength and hardness of the cladding aluminum alloy increase rapidly at the initial stage of natural aging，then slowly increase after 20 d.At 30 d，the tensile strength，yield strength and core Vickers hardness reach the maximum of 242.3 MPa，122.9 MPa and 84.0，respectively.The average grain size of the core material after brazing increase slightly，and remains with different natural aging time after brazing，indicating that the natural aging does not change the grain size of the core material.The secondary phase identified in the core material after brazing and natural aging is irregular AlFeSiMnCu phase.

Keywords：brazing;natural aging;6xxx series;cladding aluminum alloy

全球新能源汽車的發(fā)展已進(jìn)入不可逆的快車道，到2035年，城市交通將基本擺脫化石燃料[1]。據(jù)中汽協(xié)統(tǒng)計，2022年我國新能源汽車全年產(chǎn)銷量分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，連續(xù)8年位居全球第一。我國新能源汽車處在高速增長階段，作為新能源汽車核心部件之一的動力電池，其散熱系統(tǒng)中液冷板用釬焊熱傳輸鋁合金的需求也將迎來快速增長機(jī)遇。根據(jù)電池包容量大小，通常一臺新能源汽車的動力電池包組需使用液冷板10～20 kg，未來的總需求量將會大幅增長。

眾所周知，續(xù)航能力是新能源汽車的一項重要參數(shù)，在不改變電池技術(shù)的情況下，提升續(xù)航能力的主要途徑有增加電池組數(shù)量、輕量化設(shè)計、增強(qiáng)空氣動力學(xué)設(shè)計以減少風(fēng)阻、開發(fā)節(jié)能電機(jī)、增強(qiáng)能量回收系統(tǒng)的效率等。若液冷板的強(qiáng)度增加，將會在增加電池數(shù)量和輕量化方面做出重要貢獻(xiàn)。一方面，液冷板強(qiáng)度提高，可以支撐更多電池組，另一方面，達(dá)到或超過3xxx系鋁合金傳統(tǒng)材料同等強(qiáng)度的情況下可減薄，或者與傳統(tǒng)材料同等厚度可減輕其它結(jié)構(gòu)件的用量?，F(xiàn)以3xxx系為主的傳統(tǒng)液冷板用鋁合金，釬焊后屈服強(qiáng)度通常為40～100 MPa，提升空間不大，不能滿足未來高強(qiáng)度的需求。6xxx系鋁合金具有優(yōu)良的強(qiáng)度、優(yōu)異的成型性、可焊性和耐蝕性等優(yōu)點，在民用建筑、航空航天以及汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。同時，6xxx系為可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，可使抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度在傳統(tǒng)3xxx系基礎(chǔ)上大幅提升。因此，研究以6xxx系鋁合金為芯材，3003鋁合金為兩側(cè)皮材的3層層狀鋁合金在600℃左右高溫釬焊并經(jīng)時效強(qiáng)化后的組織和性能對該系鋁合金在新能源汽車動力電池液冷板中的應(yīng)用具有重要意義。

1試驗方案

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究中復(fù)合鋁合金層數(shù)為3層，芯材為6xxx系鋁合金Al-0.65Mg-0.87Si，兩側(cè)皮材為3003鋁合金。6xxx系鋁合金中Mg元素成分較多，直接用于釬焊中會有擴(kuò)散毒化影響。因為Mg在425℃以上容易擴(kuò)散，釬焊溫度通常為590～620℃，此過程中Mg擴(kuò)散到表面，與KAlF釬劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生熔點為1 070℃的KMgF3以及熔點為1 400℃的MgF2，附著在材料表面，妨礙釬料流動，影響焊接質(zhì)量[3]，故需在兩側(cè)增加皮材，以阻礙Mg元素在釬焊過程中擴(kuò)散到表面。由于3003鋁合金為不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，比例過低將無法有效起到阻礙Mg擴(kuò)散的作用，比例過高將會更多地犧牲芯材的時效強(qiáng)化特性，因此，需要設(shè)計合理的皮材包覆比例，才能兼顧阻擋作用和強(qiáng)度負(fù)貢獻(xiàn)。本研究兩側(cè)皮材包覆層厚度與芯材厚度按7.0%配比設(shè)計，詳見圖1。芯材、皮材化學(xué)成分見表1。

1.2工藝流程

3003鋁合金皮材制備：熔煉—半連續(xù)鑄造—鋸切頭尾—銑面—加熱—熱軋—切片—表面打磨。

6xxx系鋁合金芯材制備：熔煉—半連續(xù)鑄造—鋸切頭尾—銑面—表面打磨。

3003/6xxx/3003復(fù)合鋁合金制備：皮材、芯材復(fù)合—捆扎打包—復(fù)合鑄錠加熱—熱軋至8.00 mm—冷粗軋—冷精軋至1.50 mm—完全再結(jié)晶退火。

其中，3003鋁合金皮材和6xxx系鋁合金芯材的鑄錠厚度為450.00 mm，寬度為1 290.00 mm，銑面后厚度為430.00 mm，寬度不變。皮材加熱工藝為500℃保溫4 h，復(fù)合鑄錠加熱工藝為490℃保溫4 h，熱軋開軋溫度為480～490℃，冷軋4道次。完全再結(jié)晶退火溫度為370℃，保溫時間2 h。

1.3模擬釬焊及自然時效

模擬釬焊工藝：從室溫升溫至590℃，保溫1 min，然后升溫至600℃，保溫3 min。在試樣上連接熱電偶，全程測量試樣溫度，釬焊程序運行完畢后快速取出空冷，然后進(jìn)行自然時效，時效時間分別為1、5、10、15、20、25、30 d。對自然時效后的試樣進(jìn)行化學(xué)成分（ARL3460光電直讀光譜儀）和力學(xué)性能（Zwick Z020型拉伸試驗機(jī)）檢測，對自然時效后試樣的芯材部位進(jìn)行維氏硬度（MHVD-1000AP多功能顯微硬度計）、金相（ZEISS Axio Imager A2m型顯微鏡）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）（Zeiss Sigma熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡）和能譜儀（energy dispersive spectroscopy，EDS）等檢測分析。冷卻速率見圖2，拉伸試樣示意圖見圖3。

圖3中：Lt為試樣的總長度；Lc為平行長度；L0為原始標(biāo)距；b0為矩形橫截面平行長度的原始寬度；bt為夾具夾持頭部的寬度；r為圓弧半徑[4]。

2試驗結(jié)果及分析

2.1釬焊后自然時效力學(xué)性能及芯材維氏硬度3003/6xxx/3003復(fù)合鋁合金模擬釬焊后經(jīng)不同時間自然時效后的力學(xué)性能及芯材維氏硬度結(jié)果見表2。

由表2可以看出，釬焊后空冷能讓3003/6xxx/3003復(fù)合鋁合金的強(qiáng)度、芯材維氏硬度大幅提高，抗拉強(qiáng)度從釬焊前141.3 MPa提高至釬焊后的180.6 MPa，提高了27.8%，屈服強(qiáng)度從57.0 MPa提高至65.8 MPa，提高了15.4%，芯材維氏硬度從43.7提高至54.3，提高了24.3%。隨著自然時效時間的增加，復(fù)合鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度逐步提高，最高分別達(dá)到242.3 MPa、122.9 MPa，在20 d后提升非常緩慢，趨于穩(wěn)定；復(fù)合鋁合金的伸長率逐步降低，從釬焊后的24.9%降至30 d的20.0%；芯材維氏硬度逐步提高，最高達(dá)到84.0，20 d后仍繼續(xù)緩慢提高，30 d時為最大。

相關(guān)研究表明[5]，6xxx系鋁合金的自然時效是一個非常復(fù)雜的過程，包括空位、溶質(zhì)原子團(tuán)簇、GP區(qū)的形成及長大、粗化的過程。自然時效初期，隨著團(tuán)簇數(shù)量和尺寸的不斷增加，由于團(tuán)簇與基體有很強(qiáng)的剪切作用，團(tuán)簇的強(qiáng)化效果也不斷增強(qiáng)，材料的強(qiáng)度、維氏硬度快速增加，隨著自然時效時間的增加，過飽和溶質(zhì)原子和淬火晶格空位不斷消耗，原子擴(kuò)散難度變大，原子團(tuán)簇的形成變緩，強(qiáng)度、維氏硬度不再有明顯的上升[6-7]。然而，此時體系仍然處于不穩(wěn)定狀態(tài)，原子層面上，微觀結(jié)構(gòu)依舊不斷進(jìn)行改變，導(dǎo)致強(qiáng)度、維氏硬度變化仍然呈緩慢上升趨勢[8-10]。因此，釬焊后自然時效1 d時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、芯材維氏硬度相比于釬焊前的141.3 MPa、57.0 MPa、43.7分別大幅提高到201.5 MPa、84.5 MPa、64.0，分別提高42.6%、48.2%、46.5%，而在20 d之后，強(qiáng)度開始趨于穩(wěn)定，芯材維氏硬度呈現(xiàn)緩慢提升的趨勢。

2.2芯材金相及晶粒組織

對3003/6xxx/3003復(fù)合鋁合金釬焊前、釬焊后芯材金相組織及晶粒進(jìn)行檢測，詳見圖4。釬焊后1、10、20、30 d芯材的金相組織及晶粒檢測，分別見圖5和圖6。

相對于圖4（a），圖4（b）釬焊后芯材中發(fā)現(xiàn)少量復(fù)熔球，且圖5（a）～6（d）自然時效之后的芯材金相組織中也都存在少量復(fù)熔球，表明在600℃釬焊時芯材中一些低熔點相發(fā)生了輕微熔化，產(chǎn)生了非常輕微的過燒現(xiàn)象。圖4（c）釬焊前芯材平均晶粒尺寸約為80～100μm，圖4（d）釬焊后芯材平均晶粒尺寸約為100～120μm，略微長大，主要是因為釬焊溫度較高，退火后形成的再結(jié)晶晶粒在高溫的驅(qū)動下進(jìn)一步長大，但由于釬焊過程時間較短，長大幅度較小。圖6（a）～6（d）不同自然時效時間后的芯材平均晶粒尺寸大小相當(dāng)，且與圖4（d）釬焊后相比大小也無明顯差異，表明釬焊之后的自然時效不改變芯材晶粒尺寸的大小，這與孫亮等[11]的研究結(jié)果一致，自然時效對合金晶粒尺寸影響不大。

2.3芯材SEM及EDS分析

對3003/6xxx/3003釬焊前（O態(tài)）、釬焊后、以及自然時效后1、10、20、30 d的芯材第二相進(jìn)行SEM及EDS分析，結(jié)果見圖7及表3。

圖7（a）～7（f）及表3的SEM和EDS檢測分析結(jié)果顯示，釬焊前、釬焊后以及經(jīng)自然時效之后芯材SEM標(biāo)識出的塊狀第二相為不規(guī)則的AlFeSiMnCu相。由于自然時效是在室溫下，不利于溶質(zhì)原子長距離擴(kuò)散，只能形成GP區(qū)，GP區(qū)難以繼續(xù)長大形成過渡相β、、，更不會完成GP區(qū)→亞穩(wěn)態(tài)β、、相→亞穩(wěn)態(tài)β、相→穩(wěn)態(tài)β相（Mg2Si）的過程[12]，故芯材基體里不存在β、、、β、、β相，另外，可能是因為放大倍數(shù)、視場選擇、或合金相選擇方面的原因，沒有標(biāo)識出其他第二相。

圖7（b）釬焊后及7（c）～7（f）自然時效后相對于圖7（a）釬焊前，芯材中仍然有較大尺寸的塊狀A(yù)lFeSiMnCu相，約從1μm到20μm，應(yīng)該是芯材基體中的殘留相。主要原因是釬焊過程中雖溫度較高，但時間較短，僅有3 min，溶質(zhì)原子來不及完全擴(kuò)散固溶到基體中，從而殘留。

3結(jié)論

（1）釬焊后自然時效初期，由于芯材原子團(tuán)簇數(shù)量和尺寸的不斷增加，3003/6xxx/3003復(fù)合鋁合金的強(qiáng)度、芯材維氏硬度快速增加，自然時效1d時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、芯材維氏硬度相比于釬焊前141.3 MPa、57.0 MPa、43.7，大幅提高到了201.5 MPa、84.5 MPa、64.0，分別提高了42.6%、48.2%、46.5%。隨著自然時效時間的增加，芯材原子團(tuán)簇的形成變緩，復(fù)合鋁合金的強(qiáng)度、芯材維氏硬度上升緩慢，在20 d之后變化很小。

（2）600℃釬焊溫度下，3003/6xxx/3003復(fù)合鋁合金芯材中發(fā)現(xiàn)少量復(fù)熔球，產(chǎn)生了輕微的過燒現(xiàn)象。釬焊后芯材晶粒平均尺寸相對于釬焊前有一定程度的長大，但釬焊之后不同自然時效時間的芯材晶粒平均尺寸相對于釬焊后并未進(jìn)一步明顯長大，表明自然時效不改變芯材晶粒尺寸大小。

（3）釬焊后以及經(jīng)自然時效之后芯材中尺寸約為1μm到20μm的不規(guī)則塊狀第二相為AlFeSiMnCu相，主要是因為自然時效過程中GP區(qū)難以繼續(xù)長大形成過渡相β、、，也就不會有β、和β相。由于釬焊過程保溫時間較短，芯材基體中的粗大塊狀A(yù)lFeSiMnCu相未完全固溶到基體中從而在釬焊后殘留下來。

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文章編號：2096?2983（2024）02?0062?08 DOI：10.13258/j.cnki.nmme.20230316003