21、采用CMT + P熔钎焊工艺实现铝与钢异种材料的连接

采用CMT + P熔钎焊工艺实现铝与钢异种材料的连接

1. 研究背景

在全球范围内，汽车行业通过异种材料（化学成分不同的成分）相互作用实现的混合/多材料结构设计，是解决生态和经济问题的一种有前景的方法。减轻汽车重量可以通过采用厚度更薄的高强度钢，或者在车身制造中使用具有高比强度（即高强度重量比）的材料来实现。铝合金因其高比强度和良好的耐腐蚀性，在汽车中得到了广泛应用，这就带来了将铝与钢连接起来的需求。

然而，铝与钢的异种连接面临着诸多挑战，主要包括热物理性能（如熔点、热导率和热膨胀系数）的差异，以及在接头界面形成硬而脆的金属间化合物（IMC）层。钎焊是连接熔点差异较大材料的一种有前途的技术，因为在钎焊过程中，其中一种材料保持固态，另一种材料与填充金属一起熔化。在使用铝基填充金属进行铝与钢的搭接连接时，铝母材与铝填充金属之间发生焊接，而填充金属与钢之间通过原子在液/固界面的相互扩散进行钎焊。由于铁在铝中的固溶度较低（约0.03 at.%），在液/固界面形成金属间相是不可避免的，并且IMC层的厚度与焊接热输入成正比增加。

金属间化合物的形成存在两个相互矛盾的现象：一方面，它通过形成界面反应区确保了铝与钢之间强大的原子间结合；另一方面，过厚的IMC层会由于富铝金属间化合物（正交晶系的η - Fe₂Al₅和单斜晶系的θ - Fe₄Al₁₃）的高脆性和低结构对称性，降低接头的力学性能。有研究表明，在填充材料中加入硅（Si）可以通过参与界面反应区来抑制金属间化合物的快速生长，原因是硅占据了η - Fe₂Al₅长轴上约30%的结构空位，阻断了铝原子的扩散路径，从而阻碍了IMC层的快速生长。以往的研究建议，为了获得所需的性能，IMC层的厚度应小于10μm。

为了解决上述问题，