南京理工大学材料科学与工程学院的Peng Xue、Yang Zou，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室的Peng He（通讯作者），郑州机械研究所先进钎焊材料与技术国家重点实验室的Yinyin Pei、Huawei Sun，南京航空航天大学材料科学与技术学院的Chaoli Ma，以及金华金中焊接材料有限公司的Jingyi Luo共同合作，于2019年2月在期刊《Metals》（2019, 9, 198）上发表了一项关于低银AgCuZnSn钎料用于铜/钢异种金属连接的研究。这项研究聚焦于开发一种低成本、高性能的钎料，以满足工业中对铜/不锈钢异质接头长期可靠性的需求。

学术背景

铜（Cu）和不锈钢（304 stainless steel）的复合结构因其兼具导电性和机械性能，广泛应用于冷却设备、压力容器和热交换器等领域。然而，传统高银（Ag>30 wt.%）钎料成本高昂，而低银钎料在长期服役中可能出现界面不稳定问题。Ag-Cu-Zn系列钎料虽具有优异的润湿性和机械性能，但需通过微合金化（如添加Ga、Ce等）进一步优化其抗老化性能。本研究旨在探究Ga和Ce对铜/不锈钢钎焊接头在老化过程中的微观结构演变及力学性能的影响。

研究流程

1. 钎料制备与成分设计
   研究团队采用纯Ag、Cu、Zn、Sn、Ga和Ce为原料，通过中频感应炉熔炼制备了四种钎料（表1），包括基础钎料（Ag16.5CuZnSn）及添加Ga（2 wt.%）、Ce（0.15 wt.%）或两者的变体。Sn-5Ce中间合金的加入通过机械搅拌确保成分均匀性。

2. 试样制备与钎焊工艺
   使用H62黄铜和304不锈钢作为基体材料，按中国国家标准GB/T 11363-2008切割成80 mm×25 mm×3 mm的板材。采用自动火焰钎焊（使用FB102钎剂：B₂O₃+KBF₄+KF），钎焊后超声清洗20分钟以去除残留钎剂。

3. 老化处理与性能测试
   根据军事标准MIL-STD-883进行高温存储（HTS）测试：150°C下分别老化0 h、200 h、400 h和600 h。通过光学显微镜和场发射扫描电镜（SEM）结合能谱分析（EDS）观察界面微观结构，并测量晶间渗透深度（计算公式：h=S/d，S为渗透面积，d为界面宽度）。剪切强度测试在MTS万能试验机上进行，加载速率2 mm/min，每组重复5次取平均值。

4. 断裂形貌分析
   通过SEM观察老化前后接头的断裂形貌，结合EDS分析断裂区域的元素分布，以确定断裂类型（韧性或脆性）及其与微观结构的关系。

主要结果

1. 晶间渗透深度
   Ce的添加显著抑制了钎料向不锈钢的晶间渗透。老化600 h后，Ag16.5CuZnSn-0.15Ce接头的渗透深度仅为1.6 μm，比基础钎料降低48.8%（图6）。EDS显示Ag在晶界富集，而Fe、Cr未明显扩散（图4）。

2. 力学性能
   所有接头剪切强度随老化时间延长而下降，但含Ga/Ce的接头仍优于基础钎料。Ag16.5CuZnSn-2Ga-0.15Ce在600 h老化后强度下降15%，但仍保持最高值（图9）。其断裂形貌显示老化前为韧性断裂（均匀韧窝），老化后转为轻微脆性断裂（出现颗粒和裂纹，图10）。

3. 微观结构演变

   • 老化后钎缝中出现Ag富集相（Cu:11.01 at.%, Zn:26.05 at.%, Ag:60.40 at.%），其高硬度与周围相物理性能差异导致缺陷（图7）。
     
   • Ce与Sn、Ag形成稀土相（RE-phase），通过Hume-Rothery理论解释其原子半径差异导致的金属间化合物（IMCs）生成，细化钎缝组织（图8）。

结论与价值

1. 科学价值

   • 揭示了Ce通过抑制晶间渗透提升接头长期稳定性的机制。
     
   • 提出Ga/Ce协同优化钎料性能的微合金化策略，为低银钎料设计提供理论依据。
     

2. 应用价值
   Ag16.5CuZnSn-2Ga-0.15Ce钎料在成本降低（低银含量）的同时，满足工业对铜/不锈钢接头高温服役可靠性的需求，适用于能源装备和电子器件等领域。

研究亮点

• 创新发现：首次量化了Ce对晶间渗透深度的抑制效果（降低48.8%）。
  
• 方法创新：结合HTS老化测试与多尺度表征（SEM+EDS+力学性能联动分析）。
  
• 工程意义：开发的钎料通过成分优化平衡成本与性能，具备产业化潜力。
  

其他价值

研究数据为后续开发更低银含量（<16.5 wt.%）钎料提供了实验基础，并启发通过稀土元素调控界面反应的设计思路。