1.本发明属于铝合金焊接领域，具体涉及一种在大气环境中利用半固态中间层低温、低压扩散焊铝合金的方法。
背景技术：
2.铝合金微通道散热器因其体积小、传热性能好、减重显著等优点，在军用雷达散热系统中已显示出无可争辩的潜力。扩散焊作为一种获得强度接近母材的接头方法，已广泛应用于大功率电子器件的微通道散热器的制造。高温高压是铝合金有效互扩散和氧化膜去除的必要条件。但这样的恶劣条件给扩散焊带来了很多困难，包括通常高于500℃的温度会导致母材软化，以及高于5mpa的焊接压力导致接头变形。此外，扩散焊必须在真空或ar气体环境中进行，以避免二次氧化对连接接头的影响，这增加了工艺的复杂性。因此，发展在大气条件下低温低压扩散焊铝合金技术是必要的。
3.铝合金的低温扩散焊方法主要在450℃以下，利用ag箔、zn箔作中间层固相扩散焊和ar离子轰击后扩散焊。芯片可以在400-450℃下以ag箔作为中间层与al基板键合。在键合过程中，ag和al原子通过薄al2o3相互扩散，反应生成ag2al和ag3al化合物。另外，通过zn中间层可在360℃下实现铝合金的固相连接。键合过程，zn原子可穿越氧化膜的裂纹实现zn向铝合金的扩散。另有研究通过ar离子轰击可以去除al表面的氧化膜，改变轰击表面的微观组织，之后可在较低的扩散焊参数下获得良好的结合接头。采用ar离子束处理纯al表面，al/al的真空扩散焊可分别在350℃和450℃条件下实现。值得注意的是，350℃是目前所有al或al合金扩散焊工艺中最低的键合温度。但压力需要提高到5mpa以上，这会引起接头变形。
4.与固相扩散焊相比，tlp通常需要低于1mpa的压力就能实现铝合金扩散连接。铝合金tlp键合常用的中间层有cu、ag、ag-28cu和zn。键合温度取决于层间与母材之间的共晶反应温度，一般要求为546℃(al-cu二元共晶)、567℃(al-ag二元共晶)、490℃(al-ag-cu三元共晶)和389℃(al-zn二元共晶)。显然，zn和al具有较大的相互溶解度，具有低温、低压结合的潜力，因此zn中间层在铝合金tlp键合中具有很大的吸引力。在之前的研究中，以zn箔为中间层，在400℃、0.2mpa条件下通过超声辅助快速tlp键合成功地在空气中实现了7034细晶粒合金的连接，得到了完全α-al固溶体的接头，接头抗剪强度达223mpa。同样的方法也被用于在390℃下连接al-50si合金。遗憾的是，目前所涉及的zn中间层tlp键合面临的难题是键合温度仅可降至390℃，难以突破zn-al共晶点以下的温度；其次，氧化膜的去除需借助超声辅助界面摩擦作用。
5.目前，在大气条件下低温低压扩散连接铝合金仍存在较多的技术难题：首先，大气条件下铝合金氧化膜的去除需要特殊的去膜工艺；其次，扩散连接过程难以同时满足低温和低压的工艺条件。
6.总结已有的研究可知，低温扩散连接需要合适的低温中间层，且氧化膜在连接过程中难以直接去除，残留在接头中的氧化膜会影响接头的力学性能。ar离子轰击辅助铝合
金扩散连接虽然可将焊接温度降至350℃，但增加了工艺复杂性，且连接过程通常要求高于5mpa的压力。
7.低压扩散连接限于tlp键合，但通常需要高于500℃的键合温度，此外，全液相接头倾向于液相在扩散连接过程被挤出。zn中间层虽然可将键合温度降至390℃，但连接过程氧化膜的去除需借助超声波的机械摩擦作用，且继续降低键合温度是困难的。
8.以上结果证明：低温扩散连接需依赖于低温中间层，低压扩散连接要求接头中存在液相，大气条件下母材氧化膜的去除需借助机械摩擦手段。综上，最适合用于大气条件下铝合金低温低压扩散连接的方式是同时结合液态中间层和固态中间层优势的低熔点半固态中间层，同时需结合机械作用去除氧化膜。
技术实现要素：
9.本发明所要解决的问题包括：(1)铝合金固相扩散焊的工艺局限，只能在真空或保护气体空腔内进行；(2)焊接温度过高容易造成铝合金材料的软化；焊接压力过大容易造成接头变形；(3)大气条件下铝合金扩散连接过程氧化膜难破除。针对现有技术中的上述缺点，提供一种简便易行、适用性强的基于液相和固相联合扩散的扩散焊铝合金方法。
10.进一步地，所述铝合金为1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金或细晶强化的超细晶铝合金。
11.进一步地，所述中间层为zn-sn、zn-bi、zn-ga或zn-in为主的zn基合金。
12.进一步地，所述中间层形式为金属箔、混合焊膏、合金块、金属粉末。
13.进一步地，所述中间层与铝合金装配形式为直接预制、电镀、化学镀、雾化喷涂、烙铁涂覆、超声涂覆或磁控溅射。
14.进一步地，所述加热方式为电阻热台加热、高频感应线圈加热、红外加热或热气加热。
15.进一步地，所述中间层厚度为10-300μm。
16.进一步地，所述加热温度范围为所选中间层合金的固-液相线温度之间，即ts—t
l
。
17.在上述技术方案中，所述摩擦去膜方式为通过移动上侧铝合金，使铝合金之间产生相对摩擦以去除氧化膜。
18.进一步地，所述超声波去膜方式为通过声极在试样上侧施加超声波借助液态金属空化效应去除氧化膜。超声施加时间为0.1-10s，声极输出振幅为1～20μm。
19.进一步地，步骤三中所述加压保温分为直接加压后保温扩散和声极加压后施加超声波辅助扩散。
20.进一步地，所述加压扩散阶段在试样上侧施加压力为1-3mpa。
21.进一步地，所述加压扩散保温时间为10-120min。
22.进一步地，所述超声辅助扩散过程施加超声波时间为10-60min。
23.本发明方案的原理：首先，在施加机械作用过程(摩擦或超声)借助半固态中间层中的固相颗粒和液态金属的物理作用和力学行为去除界面气膜和氧化膜并润湿铝合金；本发明摩擦去膜的原理是：半固态中的固相颗粒与母材表面摩擦产生的横向剪切力导致氧化膜破碎，之后液相金属潜流到氧化膜下侧将氧化膜抬起，起的氧化膜在固相颗粒的横向剪切作用下破碎。超声波去膜的原理是：超声作为外加的能场，能够在液态金属中产生空化
泡，而空化泡在液固界面处崩溃时，能够产生冲击波和微射流作用，促进铝合金表面氧化膜的去除，在超声作用下，氧化膜的去除非常迅速。其次，通过液相扩散耗尽焊缝中的低熔点液态金属；最后，通过固相扩散调节接头组织成分，获得高强度接头。本发明利用低熔点zn基合金作为中间层扩散焊接铝合金，通过保温使中间层与铝合金焊接互扩散得到高强度的zn-al共析组织接头。
24.本发明的有益效果是：
25.一、第一阶段的机械作用破坏铝合金原有的氧化膜，并且低熔点液态金属在机械作用下润湿铝合金后防止其表面再次生成新的稳定的氧化膜，扩散焊过程中不需要再次去除铝合金的氧化膜；
26.二、相较于传统扩散焊，本发明在大气环境下实现铝合金扩散焊接，降低的焊接温度和焊接压力，简化了工艺过程。利用低熔点合金作为半固态中间层，防止铝合金受热软化进而导致力学性能降低；
27.三、半固态中间层减少了液相含量，解决了tlp焊接过程中的液相大量溢出问题；半固态中间层中的低熔点元素用于降低焊接温度，将低熔点元素与zn结合之后，zn起到辅助低熔点元素向al合金快速扩散的作用。
28.四、第二阶段的扩散过程首先使液态金属完全扩散到母材中，液相耗尽后部分η-zn固相残留下来，之后η-zn与al发生固相扩散，η-zn逐渐向均质化的zn-al共析组织转变，最终得到全zn-al共析组织接头。焊接接头具备热损伤小、变形小且强度高于母材等优势。
29.与cn114871560a《一种超声辅助低温扩散焊铝合金提高接头服役温度和耐腐蚀性能的方法》相比，本发明方法获取的的接头性能不同：cn114871560a的接头强度仅能到达母材的89％。本发明获得zn-al共析组织接头强度比母材本身还高，强度系数为100％(图3)，也就意味着拉伸测试过程失效位置在远离焊接界面的母材上，如图4。
附图说明
30.图1是实施例一中扩散焊接铝合金示意图：其中1为铝合金母材，2为zn-sn中间层，3为夹具；
31.图2是实施例一中扩散焊接铝合金不同保温时间的接头微观结构；
32.图3是实施例一中扩散焊接铝合金不同保温时间的接头拉伸强度；
33.图4为实施例一中扩散焊接铝合金保温60min接头的拉伸失效试样照片；
34.图5为zn-30sn与al合金的互扩散试样的界面图；(a)sem图和(b)界面元素线扫测试结果；
35.图6为实施例一得到的铝合金接头sem的放大图，其中，a图为扩散时间为45min的接头sem的放大图，b为扩散时间为60min的接头sem的放大图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
37.本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
38.实施例一：
39.本实施例一种基于液相和固相联合扩散的铝合金低温低压连接方法，按以下步骤进行：
40.一、首先使用180目砂纸对6063铝合金和zn-30sn中间层表面进行机械打磨，之后用丙酮对表面进行清洗后烘干；
41.二、将150μm厚的zn-30sn中间层置于两个待焊铝合金之间(见图1a)，装配后置于加热台上加热至360℃，试样上侧初始施加压力为0.03mpa。横向移动上侧铝合金，使其产生相对摩擦以去除氧化膜(见图1b)。
42.三、将上侧压力增至1mpa，并进行保温；使zn-30sn中间层与al合金互相扩散(见图1c)，保温时间分别为15，30，45，60min；随后冷却至室温，完成铝合金的低温扩散焊接(见图1d)。
43.不同保温时间的zn-30sn合金超声辅助半固态扩散焊6063铝合金接头的微观组织见图2。由图2可知，保温时间为60min时，中间层和母材之间发生了充分的扩散，最终得到全zn-al共析组织的接头。接头的拉伸强度为127.1mpa，达到相同热处理母材拉伸强度的100％(见图3)。证明该发明可在低温低压条件下得到高强度铝合金扩散焊接头。
44.通过zn-30sn与al合金的互扩散试样的界面元素线扫测试结果可知(图5)，本实施例的zn起到辅助低熔点元素向al合金快速扩散的作用。通过zn-sn在铝合金表面的保温扩散实验，可以说明在铝合金晶界处的扩散元素包括zn和sn，其中zn元素扩散距离更远，sn元素紧随在zn元素后侧，因此证明低熔点sn元素是在zn元素的辅助作用下向al合金中扩散。通过图6可知，扩散时间为45min时，接头的组成成分是zn-al共析 η-zn，但扩散时间增至60min时，残余的η-zn与al互扩散最终得到全zn-al共析组织接头，从而通过调整接头组织获得高强度接头。
45.实施例二：
46.本实施例一种基于液相和固相联合扩散的铝合金低温低压连接方法，按以下步骤进行：
47.一、首先使用180目砂纸对6063铝合金和zn-20sn中间层表面进行机械打磨，之后用丙酮对表面进行清洗后烘干；
48.二、将150μm厚的zn-20sn中间层置于两个待焊铝合金之间，装配后置于加热台上加热至360℃，试样上侧初始施加压力为0.03mpa。横向移动上侧铝合金，使其产生相对摩擦以去除氧化膜。
49.三、将上侧压力增至1mpa，并进行保温；使zn-20sn中间层与al合金互相扩散，保温时间分别为15，30，45，60min；随后冷却至室温，完成铝合金的低温扩散焊接。
50.相比实施例一，该实施将中间层改为zn-20sn合金，在相同温度下熔融的中间层中zn-sn液相含量减少，更短时间内完成母材与中间层之间的互扩散。
51.实施例三：
52.本实施例一种基于液相和固相联合扩散的铝合金低温低压连接方法，按以下步骤进行：
53.一、首先使用180目砂纸对6063铝合金和zn-30ga中间层表面进行机械打磨，之后用丙酮对表面进行清洗后烘干；
54.二、将150μm厚的zn-30ga中间层置于两个待焊铝合金之间，装配后置于加热台上加热至360℃，试样上侧初始施加压力为0.03mpa。横向移动上侧铝合金，使其产生相对摩擦以去除氧化膜。
55.三、将上侧压力增至1mpa，并进行保温；使zn-30ga中间层与al合金互相扩散，保温时间分别为15，30，45，60min；随后冷却至室温，完成铝合金的低温扩散焊接。
56.相比实施例一，该实施将中间层改为zn-30ga合金，在相同温度下熔融的中间层中ga元素更易向al合金中扩散，更短时间内完成母材与中间层之间的互扩散。
57.实施例四：
58.本实施例一种基于液相和固相联合扩散的铝合金低温低压连接方法，按以下步骤进行：
59.一、首先使用180目砂纸对6063铝合金和zn-30sn中间层表面进行机械打磨，之后用丙酮对表面进行清洗后烘干；
60.二、将150μm厚的zn-30sn中间层置于两个待焊铝合金之间，装配后置于加热台上加热至360℃。将声极施加在母材上侧，振幅为3.5μm，时间为1s，清除半固态zn-30sn与母材之间的气膜及zn-30sn与铝合金表面的氧化膜；
61.三、在上一步超声结束后将上侧压力增至1mpa，并进行保温；使zn-30sn中间层与al合金互相扩散，保温时间分别为15，30，45，60min；随后冷却至室温，完成铝合金的低温扩散焊接。
62.相比实施例一，该实施将去膜方式由摩擦去膜改为超声波去膜，该方法可以更加快速的去除氧化膜。
63.实施例五：
64.本实施例一种基于液相和固相联合扩散的铝合金低温低压连接方法，按以下步骤进行：
65.一、首先使用180目砂纸对6063铝合金和zn-30sn中间层表面进行机械打磨，之后用丙酮对表面进行清洗后烘干；
66.二、将150μm厚的zn-30sn中间层置于两个待焊铝合金之间，装配后置于加热台上加热至360℃。将声极施加在母材上侧，振幅为3.5μm，时间为1s，清除半固态zn-30sn与母材之间的气膜及zn-30sn与铝合金表面的氧化膜；
67.三、在上一步超声结束后继续保持所述的加热温度，再次施加连续超声，使zn-30sn中间层与al合金互相扩散，超声时间分别为15，30，45，60min；随后冷却至室温，完成铝合金的低温扩散焊接。
68.相比实施例四，该实施将扩散过程由加压扩散改为超声辅助扩散，加速扩散过程，在更短时间内完成母材与中间层之间的互扩散。