針對鋁合金無法直接烙鐵釬焊的問題，本文提出了一種表面改性焊接的新方法：采用離子注入與磁控濺射相結合的技術在2024鋁合金表面制備Cu膜，并實現(xiàn)了鋁合金的低溫釬焊。實驗中通過改變基體偏壓，研究不同參數(shù)對Cu膜的沉積速率、表面形貌、相結構以及低溫釬焊性能的影響。結果表明：隨著偏壓幅值的增大，Cu膜的沉積速率逐漸下降，表面粗糙度先降低后增大，Cu膜呈現(xiàn)出較強的(111)擇優(yōu)取向；Cu膜的鍍制改善了鋁合金的低溫釬焊性能，當偏壓為-300V時，所得釬焊接頭剪切強度可達24147MPa，接頭斷口微觀形貌呈現(xiàn)出局部拉長且方向一致的韌窩。

　　鋁及鋁合金具有密度小、比強度高、導熱快等優(yōu)點，在航天、航空、電子及軍事工業(yè)中得到廣泛應用，而鋁合金的焊接方法和工藝對鋁合金的廣泛應用起到了非常重要的作用。釬焊具有焊件變形小，接頭外形美觀等特點，適用于鋁合金及與其它異種材料的連接。目前，鋁合金常用釬料熔點較高，如A-lSi和Zn-Al釬料，熔點均超過400℃。然而，在焊接固體制冷器、飛機點火器、空用制冷機、超流氦杜瓦等工件的特殊部位時需要采用低溫釬焊。為了解決以上問題，一些學者通過電鍍化學鍍、物理氣相沉積等方法在鋁合金表面鍍膜后焊接，這樣可以采用Sn基釬料焊接鋁合金。但是上述方法存在膜基結合力不好的問題，釬焊接頭強度不高。

　　研究表明，Ti作為過渡層可改善膜基結合力，本文采用離子注入技術與磁控濺射鍍膜結合的方法對鋁合金進行表面改性，主要考察了磁控濺射鍍膜中基體偏壓對薄膜沉積速率、表面形貌、相結構以及低溫釬焊性能的影響。

1、實驗方法

　　1.1、薄膜制備

　　基體材料采用尺寸為30mm×10mm×115mm的2024鋁合金片。試樣通過化學清洗后，用去離子水洗凈并快速吹干，放置到真空室中。鋁合金表面改性實驗是在本實驗室自制的復合等離子體表面處理裝置上進行的。當本底真空度達到5×10^-3 Pa時，通入純Ar(純度為99.999%)，利用射頻電源形成輝光放電，通過負脈沖偏壓濺射清洗樣品表面30min。其中偏壓峰值為1000V，占空比為30%。在磁控濺射沉積Cu薄膜之前采用金屬蒸氣真空弧(MEVVA)源對鋁合金試樣進行Ti離子注入，希望增加膜基結合力，離子注入工藝參數(shù)如表1所示。磁控濺射沉積Cu薄膜時，濺射電流為0.6A，濺射電壓約為400V，沉積時間為70min。制備Cu薄膜的過程中，靶和基片間距為100mm，工作氣壓保持在0.5Pa。在鍍膜的同時，基片上分別施加100-400V的負偏壓。脈沖偏壓頻率為40kHz，占空比為30%。

表1 Ti離子注入?yún)��?shù)

　　1.2、薄膜表征

　　采用FEI公司的Quanta200F場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣的截面形貌進行觀察，同時測量膜層厚度，并計算Cu膜的沉積速率。通過美國Bruker AXS DimensionIcon型原子力顯微鏡(AFM)對試樣表面形貌進行分析，并結合德國Bruker D8 Advancex型X射線衍射(XRD)儀對試樣的成分和相結構進行研究。利用OLYMPUSPMG3金相顯微鏡觀察Sn-Pb釬料在試樣表面的潤濕形貌。采用Sn-Pb釬料對試樣進行烙鐵釬焊試驗。實驗時，試樣按照圖1的形式進行搭接。采用美國Instron5569型萬能材料試驗機進行拉剪試驗，拉伸移動速度為0.5mm/s。為了確保接頭剪切強度的準確性，同一工藝選用三個焊接試樣進行拉剪試驗，而后取其平均值。

圖1 釬焊接頭示意圖

3、結論

　　利用離子注入與磁控濺射技術在鋁合金表面制備Cu膜，并研究了不同的基體偏壓下薄膜的沉積速率、表面形貌、相結構以及低溫釬焊性等性能特點，結果如下：

　　(1)不同偏壓下Cu膜的相結構沒有發(fā)生明顯的變化，都表現(xiàn)出很強的(111)衍射峰。隨著負偏壓的增大，Cu膜表面均方根粗糙度先變小后增大，而沉積速率逐漸減小。

　　(2)實現(xiàn)了低溫下鋁合金烙鐵釬焊，接頭的最高剪切強度可達24.47MPa。隨著偏壓的增大，接頭強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

　　(3)在焊縫處斷裂時，接頭表現(xiàn)出最高的強度，并且斷面微觀形貌呈現(xiàn)出局部拉長且方向一致的韌窩。