基于(Ni,Y)改性Al-Si-Cu-Zn钎料的高强7072铝合金接头微观结构与性能研究

《Materials》：Microstructure and Mechanical Properties of 7072 Aluminum Alloy Joints Brazed Using (Ni, Y)–Modified Al–Si–Cu–Zn Filler Alloys

本文系统研究了(Ni,Y)改性Al-Si-Cu-Zn钎料钎焊7072铝合金的微观结构与力学性能。通过第一性原理计算（DFT）结合实验验证，发现Ni可降低液相线温度并将脆性Al2Cu相转化为网状Al2(Cu,Ni)相，Y作为异质形核点细化组织。当Ni含量2.0 wt.%、Y含量0.4 wt.%时，接头抗拉强度达峰值295.1 MPa，为铝合金钎焊材料设计提供新策略。

　　

2. 材料与方法

2.1. 计算模型构建

本研究采用Materials Studio 2019中的CASTEP模块进行密度泛函理论（DFT）计算，通过虚拟晶体近似（VCA）方法构建了Al-10Si-10Cu-5Zn-xNi-yY多元钎料合金的面心立方（FCC）结构模型。计算采用广义梯度近似（GGA）框架下的PBE泛函，截断能设置为900 eV，k点网格为16×16×16。几何优化过程中，原子残余力收敛标准设定为小于0.05 eV/?，确保原子构型和晶格参数的精确弛豫。

2.2. 弹性常数分析

通过计算弹性常数C₁₁、C₁₂和C₄₄，推导出体积模量（B）、杨氏模量（E）、剪切模量（G）和泊松比（ν）等力学参数。采用Pugh判据（B/G≥1.75为韧性材料）和柯西压力（C₁₂-C₄₄）评估合金的韧脆性。各向异性指数A_U通过ElasticPOST 1.0.0代码计算，用于分析晶体结构的各向异性特征。

3. 实验材料与方法

实验以5 mm厚7072铝合金为基体材料，采用高纯度金属原料（Al、Si、Cu、Zn、Ni、Y纯度≥99.9%）通过熔盐覆盖法制备系列Al-10Si-10Cu-5Zn-xNi-yY钎料合金。采用差示扫描量热法（DSC）分析钎料熔化行为，X射线衍射（XRD）和场发射扫描电镜（FE-SEM）表征物相与微观结构。钎焊实验在氩气保护下进行，参数设定为电流115 A、送丝速度220 mm/min。通过万能试验机测试接头抗拉强度，维氏硬度计（HV0.2）测量焊缝显微硬度。

4. 结果与讨论

4.1. 第一性原理结果分析

4.1.1. 力学性能

计算结果表明，Al-10Si-10Cu-5Zn-xNi-yY合金的弹性常数满足立方晶系力学稳定性条件（C₁₁>0, C₄₄>0, C₁₁-C₁₂>0）。当Ni含量2.0 wt.%、Y含量0.4 wt.%时，杨氏模量（E=140.48 GPa）和剪切模量（G=53.64 GPa）较未添加合金分别提升32.25%和34.21%。泊松比（ν=0.310）和B/G比值（1.75）表明合金具有良好韧性，而柯西压力峰值（33.29 GPa）证实Ni/Y协同增强效应。

4.1.2. 电子结构表征

电子态密度（DOS）分析显示所有成分在费米能级处均存在非零态密度，证实其金属特性。Ni添加引起DOS峰分裂，表明Ni改变了Al-Si-Cu-Zn体系的电子环境；Y的引入导致DOS轻微上移，与其晶粒细化作用相关。

4.2. 钎料合金性能

4.2.1. 热行为

DSC曲线显示钎料存在两个吸热峰，分别对应Al-Si-Cu三元共晶点（518-525°C）和Al-Si-Cu-Ni四元共晶点。Ni添加使液相线温度从560°C降至540°C，熔化区间收窄；Y元素通过形成合金化合物进一步提高热稳定性。最优成分（2.0Ni-0.4Y）的固相线温度稳定在515°C，液相线温度552°C，适用于铝合金钎焊工艺。

4.2.2. 物相组成

XRD谱图显示钎料主要由α-Al相、Si相、Al₂Cu相和Al₂(Cu,Ni)相组成。Ni添加促使Al₂Cu相向网状Al₂(Cu,Ni)相转化，Y的引入未产生新物相但引起α-Al相晶面偏移，表明其改变了晶粒生长取向。

4.2.3. 微观结构

SEM分析表明：未改性钎料中Al₂Cu相呈棒状分布，添加2.0 wt.% Ni后转变为连续网状结构。Y的加入使Al₂(Cu,Ni)相分布更弥散，Si相由针状转变为颗粒状。图像分析软件统计显示，最优成分（2.0Ni-0.4Y）的Al₂(Cu,Ni)相平均晶粒尺寸从5.21 μm细化至1.83 μm，面积分数从10.3%降至6.64%。

4.3. 钎焊接头性能

4.3.1. 微观结构

接头界面呈现致密冶金结合，EDS检测到α-Al、Si、Al₂Cu、Al₂(Cu,Ni)及基体扩散形成的Al₆(Mn,Fe)等相。线扫描显示Ni/Y元素在界面处富集，Al₂(Cu,Ni)金属间化合物（IMC）层厚度在2.0Ni-0.4Y时达最大值45.6 μm。过量Y（0.6 wt.%）导致晶粒粗化，界面出现过度改性现象。

4.3.2. 力学性能

拉伸测试表明：随Ni含量增加，接头强度先升后降，2.0 wt.% Ni时强度达275.3 MPa（提升9.19%）；添加0.4 wt.% Y后强度峰值升至295.1 MPa（提升15.28%），但断后伸长率降至4.76%。维氏硬度分布曲线显示焊缝区域硬度显著高于热影响区，2.0Ni-0.6Y成分硬度峰值达195.64 HV_0.2。

4.3.3. 断口形貌

断口分析显示断裂发生于钎料/基体扩散区，呈现韧窝与撕裂棱共存的混合型断裂特征。Ni含量增加使韧窝尺寸从1.5 μm增大至3.0 μm，Y的添加使撕裂棱分布更均匀。EDS证实断口存在Si相、Al₂Cu相和Al₂(Cu,Ni)相，细小Al₂(Cu,Ni)相可协调基体变形，降低应力集中。

5. 结论

本研究通过第一性原理计算与实验验证相结合，阐明了Ni/Y改性Al-Si-Cu-Zn钎料的强化机制：Ni通过促成Al₂(Cu,Ni)网状相提升强度，Y通过异质形核细化组织。最优成分Al-10Si-10Cu-5Zn-2.0Ni-0.4Y兼具高强度（295.1 MPa）与良好韧性，为高强铝合金钎焊材料设计提供了理论依据与实验支撑。未来研究可结合原位表征技术进一步揭示界面反应动力学行为。