高硅铝合金由于其具有良好的导热性以及可控的热膨胀系数在电子封装领域有着较强的应用前景［1］。然而，由于常规凝固工艺制备的高硅铝合金中Si相过于粗大，从而导致材料的力学性能受到较大的影响［2］。因此，目前高硅铝主要使用喷射沉积［3］、渗流法［4-5］以及挤压铸造［6］等工艺制备，其中喷射沉积工艺是工业上制备高体积分数高硅铝合金的主要方法。采用喷射沉积能制备出具有良好热物性能的高硅铝合金，但是由于其Si含量过高，可焊接性大大降低［7］，而不添加中间层直接将不同Si含量的高硅铝进行热压极易产生微孔。目前不同成分的高硅铝连接方式主要采用激光焊接工艺［8-9］，但是其较大的加热速度与冷却速度，使得焊接界面有较大的残余应力，同时在焊接过程中由于氢气析出以及金属蒸发，极易在界面出现气孔［10］。扩散焊通常在真空高压下进行，避免熔池中金属蒸发以及Al基体吸入氢气的同时，还能减小原有热压烧结制备高硅铝残留的空洞［11］。高硅铝合金的性能不仅取决于原有的材料成分，还取决于材料中Si相的分布，而Si相的形状与分布既与材料的制备工艺有关，还受到热压过程中压力和温度等工艺参数的影响［11］。通过数值仿真对微观组织的性能进行模拟有利于理解材料的性能变化以及失效机制［12-13］。同时，基于微观组织的模型进行二维、三维建模或者根据复合材料的特征建立简化的几何模型，并进一步通过有限元进行模拟，是分析材料的组织与性能关系的一种常用方法。因此，本研究基于试验分析不同温度对扩散焊组织的影响，通过微观组织图进行二维建模并基于COMSOL Multiphysics®软件进行数值模拟，进而分析扩散焊中间层宽度以及组织中粗大Si相对梯度高硅铝合金的热应力的影响，旨在为其应用提供参考。1试验材料与方法试验采用喷射沉积和热等静压工艺分别制备Al-50Si和Al-70Si高硅铝合金（质量分数，%）。扩散焊中间层选择4104铝合金薄片，其化学成分见表1。将抛光好的Al-50Si和Al-70Si合金以及4104中间层叠加放置在石墨模具中，见图1。然后在560~620 ℃、40 MPa下热压烧结2 h，加热源为模具外侧的石墨电阻。微观组织通过ZEISS Axio Scope Al蔡司光学显微镜进行观察。微观组织中Si相的体积分数通过imageJ图像处理软件计算得到。10.15980/j.tzzz.2024.01.019.T001表1中间层的化学成分Tab.1Cheminal composition of interlayerswBSiFeCuMnMgZnTiBiAl100.1510.010.0051.50.006-0.11余量%10.15980/j.tzzz.2024.01.019.F001图1扩散焊结构示意图Fig.1Schematic diagram of diffusion welding2组织分析与讨论图2为不同烧结温度下制备的梯度高硅铝合金材料，其中白色为Si相，灰色为Al基体相，Si相被Al基体包裹。560 ℃下热压后，焊缝周围区域出现许多细小的Si相，这是由于在此温度下，中间层未达到熔化温度，因此中间层宽度没有明显变化。但是与高硅铝组织相比，Si含量较低，因此随着热压过程继续，Si会向中间层扩散。同时由于温度较低，因此两侧的高硅铝组织无明显变化。10.15980/j.tzzz.2024.01.019.F002图2不同烧结温度下高硅铝合金的金组织Fig.2Metallographic structure of hig-silicon Al alloy at different sintering temperatures580 ℃下热压后，Si的扩散能力大幅增加，高硅铝中的Si通过Al基体向中间层扩散的同时，中间层的Al向两侧扩散，导致两侧高硅铝中的Si相体积分数降低，Al基体通道变大，同时对于中间层来说，Si相的体积分数也增大，中间层与两侧高硅铝的界面难以分辨。图2c为梯度高硅铝在580 ℃条件下未添加中间层进行热压后组织形貌，其Al基体更大，Si相分布更不均匀，说明中间层的存在促进了Si相的扩散。600 ℃热压后，中间层的Al还未来及扩散就完全熔化，使得大部分中间层在压力作用下被挤出界面，同时由于两侧高硅铝的表面高低不平，使得少量铝液残留其中。随后在保温过程中Si相烧结长大，铝通道增大。在界面处残留少量铝液，伴随着Si的扩散，Si相在铝液中形核长大，并且受到周围Si相约束，新长大的Si相具有明显的方向，且在界面形成明显的梯度分布，如A、B和C部分Si相的体积分数分别为60%、69.7%和72.7%。当升温至620 ℃时，Al-70Si中Si相进一步长大，且中间层中原本残留的Al基体相受到较大的热应力会随着中间层缝隙被排出复合材料，并在冷却后形成空洞。同时由于Si相粗大，Si相之间的Al基体较少，因此在制备金相时Si相易脱落。同时，Al-70Si中与Si相连通的Al基体相基本消失，只有Si相内部还剩少量Al基体相。3数值模拟分析3.1有限元仿真模型的建立现有的技术手段将材料的性能参数与真实的微观组织中各相材料的性能完全对应具有较大难度，因此在模型建立前需要基于一些基本假设：①不考虑合金中铝相晶面取向对材料性能的影响及假设Al基体、初生Si相的热导率以及热膨胀系数为各向同性；②假设初生Si相的泊松比以及杨氏模量为定值，不随温度变化；③不考虑选取的区域以外组织对其约束的情况，只考虑所在区域由于内部热膨胀系数不同而产生的热应力；④假设Al基体与硅基体为线弹性材料，不考虑加热过程中组织会随温度变化；⑤不考虑气孔对基体的影响，将气孔区域用Al基体代替。选取不同工艺下制备梯度高硅铝材料的金相图片，选取区域的微观组织尺寸为681 μm×513 μm。将微观组织金相图通过R2V图像处理软件进行图像边缘检测，并输出矢量图用于几何模型，见图3。10.15980/j.tzzz.2024.01.019.F003图3数值模拟所采用的梯度高硅铝矢量图Fig.3Vector diagram of gradient high-silicon Al for numerical simulation对于梯度结构高硅铝材料而言，材料的组织与制备工艺的温度、压力以及自身的缺陷等因素密切相关，因此对上述560~620 ℃热压后的梯度高硅铝的微观组织图进行模拟，分别命名为A、B、C和D。同时对580 ℃下未添加中间层的微观组织图添加不同宽度的中间层，以此研究中间层宽度对材料的性能影响，分别命名中间层宽度为1、10、20和30 μm的模拟样为E1、E2、E3和E4。材料性能参数的设定基于JMatPro的材料数据库。材料区域的选择依据图2中各自的图片进行确定。网格的划分使用COMSOL自带的网格划分模块。选择网格的基本形状三角形，最小单元尺寸设置为0.2 μm，最大单元增长率为1.3。设置不同试样初始温度均为25 ℃，通过下底边加热至200 ℃，并进行稳态求解。3.2仿真结果分析图4为不同模拟样的应力分布。可以看出，由于Al基体的热膨胀系数大于Si，且当Si含量较高时，Si相烧结在一起，因此Al基体在升温过程中由于受到Si相的约束而产生了热应力，从而造成Al-70Si合金中的平均应力远小于Al-50Si合金中的。当模拟Al-50Si与Al-70Si合金组织完全相同仅中间层宽度不同时，中间层越宽，总热应力越大，Si相的平均值会出现先快速下降再缓慢升高的趋势，说明当中间层较薄时（10 μm）时，周边的Si相能够有效地抑制Al基体相的膨胀。虽然总的应力平均值与Al相正相关，而与Si相的体积分数反相关，说明主要影响两者的平均应力的原因是来自Al相体积分数的变化。此外还可以发现，随着温度升高，当梯度高硅铝合金在620 ℃热压之后，Si相之间的Al基体通道明显变大，与此同时，在Al-50Si组织中的Si相热应力也增大，因此增大了材料的开裂倾向，见图5。10.15980/j.tzzz.2024.01.019.F004图4不同模拟样的应力分布图Fig.4Stress distribution of different simulated specimens10.15980/j.tzzz.2024.01.019.F005图5不同模拟样的应力均值统计图Fig.5Mean value statistics of stress of different simulated specimens图6为不同模拟样的局部应力分布。可以看出，虽然Si相的平均应力相对于Al基体较小，但是Si相的应力分布两极分化的现象比较严重，既存在较多应力偏小值（100 MPa）区域又存在众多应力值较大的区域（500 MPa）。而Al基体的应力分布集中在200~500 MPa。此外，相比于理想状态下的中间层，实际添加的中间层由于其附近有着较大的Si以及Al的浓度梯度，因此通过Al和Si的相互扩散，实际的Si相之间的Al基体通道大于理想状态下的，从而导致E1中Si相的热应力较大值明显高于E2的Si相。总体而言，热应力的极大值容易出现在Al-Si界面以及Si颗粒之间的烧结颈处，而极小值基本只出现与Si相内部。10.15980/j.tzzz.2024.01.019.F006图6不同模拟样的局部应力分布图Fig.6Local stress distribution of different simulated specimens4结论（1）温度升高促进了高硅铝合金中Al、Si的扩散，进一步促进了Si颗粒的团聚与长大，当热压温度过高时Al基体被挤出，同时Si相急剧长大。（2）温度升高导致Si相长大，同时Al基体通道变大，增加了高硅铝合金整体的平均热应力。（3）不考虑Si相在中间层扩散的情况下，中间层越宽，总体的平均热应力越大。（4）虽然Al基体的平均热应力大于Si相，但是热应力的极大值主要出现在Si相烧结颈以及Al-Si界面处。