SiO2f／SiO2 復(fù)合材料與TC4，Ti3Al和TiAl的釬焊

陳 波，熊華平，毛 唯，程耀永

（北京航空材料研究院 焊接及鍛壓工藝研究室，北京100095）

SiO2f／SiO2復(fù)合材料與TC4，Ti3Al和TiAl的釬焊

陳 波，熊華平，毛 唯，程耀永

（北京航空材料研究院 焊接及鍛壓工藝研究室，北京100095）

在880℃／10min規(guī)范下，采用 AgCuTi活性箔帶釬料完成了SiO2f／SiO2／TC4，SiO2f／SiO2／Ti3Al和SiO2f／SiO2／TiAl三種接頭的連接，每種接頭界面均結(jié)合良好。接頭顯微組織結(jié)果表明，三種接頭組織形貌較為相似，均在靠近SiO2f／SiO2母材的界面處形成了一層薄薄的擴(kuò)散反應(yīng)層組織，在該組織中出現(xiàn)了Ti和O的富集。分析認(rèn)為，釬焊過(guò)程中釬料中的Ti會(huì)優(yōu)先向SiO2f／SiO2母材邊緣擴(kuò)散，同時(shí)，金屬母材中的元素在液態(tài)釬料的作用下不斷向釬縫中溶解，其中一部分母材中的Ti也會(huì)向復(fù)合材料母材邊緣擴(kuò)散，兩種不同來(lái)源的Ti共同與SiO2發(fā)生反應(yīng)生成Ti－O相，根據(jù)三種接頭擴(kuò)散層中Ti和O的原子比例推斷Ti－O相為T(mén)i2O。三種接頭的釬縫基體區(qū)主要由白色組織和灰色組織共同組成，其中白色組織中富含Ag，主要以Ag基固溶體形式存在，而灰色組織中富含Ti和Cu，二者結(jié)合生成Ti－Cu組織。

SiO2f／SiO2復(fù)合材料；AgCuTi；TC4；Ti3Al；TiAl

石英（SiO2）是一種自然界中含量極為豐富的物質(zhì)，該材料具有硬度高、光透過(guò)率高，耐燒蝕性好、抗熱震性能好和極低的熱導(dǎo)率等優(yōu)良特性，在半導(dǎo)體、光學(xué)儀器、電子、通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，該材料還存在一些缺點(diǎn)，如彎曲強(qiáng)度低、斷裂韌性低、耐雨蝕能力差等。為了提高石英的力學(xué)性能并且保持其寬波段透波率，近些年來(lái)人們逐步研制出了二氧化硅纖維增強(qiáng)二氧化硅基體的陶瓷基復(fù)合材料（SiO2f／SiO2），該材料具備了抗熱沖擊性能好、高韌性、高可靠性和對(duì)裂紋等缺陷不敏感等一系列優(yōu)良特性，成為了天線(xiàn)罩材料的理想選擇之一［1－4］。

大尺寸或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SiO2f／SiO2零件在制備過(guò)程中常常需要連接技術(shù)作為輔助工藝，這不但可以降低成本，而且可以簡(jiǎn)化制造工藝，提高成品率。關(guān)于該復(fù)合材料的連接技術(shù)報(bào)道很少，常規(guī)的連接方法包括機(jī)械連接、粘接和焊接等。機(jī)械連接雖然原理簡(jiǎn)單，但會(huì)使系統(tǒng)增重，滿(mǎn)足不了一些特殊條件下的使用要求；粘接方法是一種常用的連接方法，能夠滿(mǎn)足復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，但接頭耐溫能力較差，難以達(dá)到陶瓷復(fù)材更高溫度或更長(zhǎng)時(shí)間的使用要求［5］。在各種焊接方法中釬焊是連接SiO2f／SiO2陶瓷復(fù)材的有效方法，但是關(guān)于該復(fù)合材料釬焊連接的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道卻很少。

本工作將針對(duì)SiO2f／SiO2陶瓷基復(fù)合材料，研究它與鈦合金、Ti3Al基合金和TiAl金屬間化合物的釬焊連接。這幾種被連接金屬材料具有密度低，比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)（見(jiàn)表1），可以部分取代高溫合金而使系統(tǒng)達(dá)到減重效果，目前在飛機(jī)機(jī)身及航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。因此，研究金屬與SiO2f／SiO2的連接將推動(dòng)該復(fù)合材料及相應(yīng)的連接技術(shù)在航空和航天領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。另外，本研究選用Ag－Cu－Ti活性釬料［6，7］，該釬料塑性好，能有效緩解接頭中的熱應(yīng)力。釬焊規(guī)范選為880℃／10min，分析接頭界面微觀組織，闡述界面連接機(jī)理。

表1 TC4，Ti3Al和TiAl的成分及物理性能Table 1 Compositions and physical properties of TC4，Ti3Al and TiAl

1 實(shí)驗(yàn)方法

三維編織的SiO2f／SiO2陶瓷基復(fù)合材料的微觀組織如圖1所示，該材料原始狀態(tài)為120mm×16mm×6mm的長(zhǎng)條，采用手工鋸的方法將其裁成10mm×16mm×6mm的試塊，被焊面為10mm×16mm的大表面。將被焊的TC4，Ti3Al和TiAl三種金屬分別加工成10mm×16mm×2mm的試片，其中試片的大表面分別依次經(jīng)200＃，400＃和800＃砂紙打磨。釬料選擇軋制AgCuTi箔帶，其厚度為50μm。裝配之前需將被焊母材和釬料置于丙酮中進(jìn)行超聲清洗，去除表面油污，之后吹干待用。為了保證釬料量充分，陶瓷復(fù)材與金屬之間預(yù)置2層釬料。將裝配好的樣品放置在真空爐中以10℃／min的加熱速率升溫，加熱至880℃并保溫10min，熱態(tài)真空度介于1.0×10－2Pa和4.0×10－3Pa之間，保溫結(jié)束后以5℃／min的冷卻速率冷卻至400℃，再隨爐冷卻到室溫。

圖1 SiO2f／SiO2陶瓷基復(fù)合材料的顯微組織照片F(xiàn)ig.1 Backscattered electron image of SiO2f／SiO2composite

金相試樣經(jīng)過(guò)打磨和拋光后對(duì)其表面進(jìn)行噴炭處理，通過(guò)掃描電鏡（SEM）觀察接頭界面微觀組織形貌，利用X射線(xiàn)能譜儀（XEDS）分析界面組織成分及元素的面分布。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 SiO2f／SiO2 與TC4的連接

圖2給出了880℃／10min規(guī)范下的SiO2f／SiO2／TC4接頭顯微組織及相應(yīng)元素的面分布，從圖中可以看出，在靠近SiO2f／SiO2母材界面附近生成了一層灰色擴(kuò)散反應(yīng)層組織（見(jiàn)圖2（a）中“1”），該層基本平行于接頭界面，其厚度約為3～4μm；臨近“1”層的區(qū)域出現(xiàn)了寬窄不均、呈網(wǎng)狀分布的灰色組織“2”，該相主要位于釬縫白色基體組織“3”中；靠近TC4母材的附近生成了厚度約為10～15μm厚的灰色組織，并且該相有少部分以島狀分布于釬縫白色基體組織中。

結(jié)合圖2中各元素面分布以及表2給出的接頭特征區(qū)域元素含量可見(jiàn)，在擴(kuò)散反應(yīng)層“1”中，富集了含量超過(guò)40%的Ti，另外還含有近20%的O，兩種元素相結(jié)合生成Ti－O相（見(jiàn)表2中“1”）?！?”區(qū)和“3”區(qū)分別出現(xiàn)了Cu和Ag的富集，在這兩個(gè)區(qū)域中分別形成了Cu基固溶體和 Ag基固溶體［8］。根據(jù)圖2（d），（e）分別給出的Ti和Cu的面分布圖可知，灰色組織“4”中出現(xiàn)了Ti和Cu的富集，生成相應(yīng)的Ti－Cu相。O和Si在復(fù)合材料母材中分布較為明顯（見(jiàn)圖2（b），（c））接頭中擴(kuò)散反應(yīng)層“1”的存在說(shuō)明了對(duì)于SiO2和Cu兩種物質(zhì)而言，Ti更易于與前者結(jié)合。但是，Ti除了在“1”區(qū)分布較多以外，在灰色組織“4”中也出現(xiàn)了富集。在釬料熔化過(guò)程中，釬料中的Ti會(huì)優(yōu)先向SiO2f／SiO2母材邊緣擴(kuò)散，同時(shí)，TC4母材在液態(tài)釬料的作用下不斷向釬縫中溶解，大量的Ti向釬縫中擴(kuò)散，其中一部分TC4母材中的Ti也會(huì)向復(fù)合材料母材邊緣擴(kuò)散，與釬料中原始的Ti一起和SiO2發(fā)生如下反應(yīng)：

圖2 SiO2f／SiO2 與 TC4接頭的顯微組織（a）及元素 O（b），Si（c），Ti（d），Cu（e）和 Ag（f）的面分布Fig.2 Backscattered electron image of SiO2f／SiO2／TC4joint（a）and area distributions of O（b），Si（c），Ti（d），Cu（e）and Ag（f）

表2 對(duì)應(yīng)圖2（a）中特征區(qū)域的元素含量及推斷的物相Table 2 The XEDS analyzed results of microzones marked in fig.2（a）and possible phases

根據(jù)擴(kuò)散反應(yīng)層“1”中Ti和O的原子比例，推斷二者形成了Ti2O相［9］。另外有少量的Ti與Si發(fā)生反應(yīng)生成Ti－Si相，但是Si的原子半徑大，擴(kuò)散速度慢，外加生成的Ti2O相層阻擋，將使得接頭中Ti－Si相的含量很低。TC4母材擴(kuò)散出的Ti除了向“1”層中擴(kuò)散以外，剩余的Ti與釬料中的Cu發(fā)生反應(yīng)生成Ti－Cu相，該相會(huì)沿著TC4母材邊緣形核長(zhǎng)大，直至消失掉釬料中大部分的Cu，因此在“4”區(qū)中出現(xiàn)了Ti的富集。釬縫基體中的白色區(qū)域組織主要由Ag基固溶體組成，相比其他相而言，其熔點(diǎn)最低（依據(jù)成分推斷［8］），可推斷它是釬縫中最后凝固的物相。綜上所述，Ti在接頭形成和組織優(yōu)化過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，一是它與SiO2反應(yīng)生成擴(kuò)散反應(yīng)層“1”的活性作用；二是從TC4中擴(kuò)散出的Ti與Cu相互作用生成了大量Ti－Cu相的組織過(guò)渡作用；三是Ti與Cu結(jié)合使得釬縫中心形成了大量的塑性?xún)?yōu)良的貧Ti的Ag基固溶體，起到了緩解接頭中殘余熱應(yīng)力的作用。由此可見(jiàn)，AgCuTi釬料適合連接SiO2f／SiO2與Ti合金的異種材料接頭，而接頭性能將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試。

2.2 SiO2f／SiO2 與Ti3Al的連接

從880℃／10min規(guī)范下的SiO2f／SiO2／TD3接頭顯微組織照片中可以看出，靠近SiO2f／SiO2母材界面處生成了灰色擴(kuò)散反應(yīng)層“1”（見(jiàn)圖3（a）），結(jié)合表3和圖3中元素面分布圖，該層中出現(xiàn)了Ti和O的富集，根據(jù)這兩種元素的原子分?jǐn)?shù)，推斷生成了Ti2O相。另外，還有一部分Si和Cu以及少量的Al同時(shí)分布在“1”區(qū)中，Al的存在說(shuō)明在該區(qū)形成過(guò)程中已經(jīng)有部分TD3母材溶解并向釬縫中擴(kuò)散，根據(jù)Al在接頭“3”區(qū)和“1”區(qū)中的含量，說(shuō)明Al在濃度梯度作用下以液態(tài)釬料作為載體，由TD3母材向復(fù)合材料母材擴(kuò)散，其含量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。Al向釬縫擴(kuò)散的同時(shí)，Ti也向釬縫中擴(kuò)散，參照Ti和Cu的面分布情況（分別見(jiàn)圖3（b），（c）），在釬縫基體區(qū)域兩種元素的分布情況一致，均分布于灰色基體相“3”中，說(shuō)明二者相結(jié)合生成了Ti－Cu相，且該Ti－Cu相最可能為T(mén)iCu2（見(jiàn)表3中“3”）。與SiO2f／SiO2／TC4接頭組織形貌的主要差別之一是SiO2f／SiO2／TD3接頭中的白色Ag基固溶體相“2”的分布情況有所改變，該相除了分布在灰色組織“3”的縫隙中以外，更多部分被排擠到了“1”區(qū)的附近，出現(xiàn)了與“1”區(qū)分布相類(lèi)似的帶狀分布。

表3 對(duì)應(yīng)圖3（a）中特征區(qū)域的元素含量及推斷的物相Table 3 The XEDS analyzed results of microzones marked in fig.3（a）and possible phases

圖3 SiO2f／SiO2 與 TD3接頭的顯微組織（a）及元素 Ti（b），Cu（c）和 Ag（d）的面分布Fig.3 Backscattered electron image of SiO2f／SiO2／TD3joint（a）and area distributions of Ti（b），Cu（c）and Ag（d）

2.3 SiO2f／SiO2 與TiAl的連接

目前就航空領(lǐng)域而言，TiAl金屬間化合物的研制與應(yīng)用日益受到人們的重視，這源于其優(yōu)良的耐高溫性能和高的比強(qiáng)度。在本工作涉及的三種被焊金屬中，TiAl的密度最低，耐溫性能最好，因此研究SiO2f／SiO2與TiAl的連接還可為這種復(fù)合材料向高溫領(lǐng)域應(yīng)用提供技術(shù)儲(chǔ)備。本工作中，采用AgCuTi釬料成功連接了SiO2f／SiO2／TiAl接頭，從圖4給出了接頭顯微組織可以看出，靠近復(fù)合材料的界面處形成了灰色擴(kuò)散反應(yīng)層“1”，其厚度約為3～4μm。釬縫基體區(qū)主要由白色組織“2”和灰色組織“3”交叉分布而成，同時(shí)灰色組織基體中分布少量白色組織，白色組織基體中也分布有少量的灰色組織。

表4 對(duì)應(yīng)圖4中特征區(qū)域的元素含量及推斷的物相Table 4 The XEDS analyzed results of microzones marked in fig.4and possible phases

根據(jù)表4給出的接頭特征區(qū)域元素含量可知，擴(kuò)散反應(yīng)層“1”中的O和Ti含量很高，二者的原子百分比接近1∶2，這與兩元素在上兩種接頭對(duì)應(yīng)該區(qū)的分布情況類(lèi)似，因此推斷O和Ti在該區(qū)中形成了Ti2O相。另外，該區(qū)中還分布著較多含量的Cu、少量的Si和Al，由于元素多、成分復(fù)雜，該區(qū)中不排除生成了除Ti2O相以外的二元相或多元相的可能。釬縫基體白色區(qū)“2”中主要含有Ag和Cu，且Ag的含量達(dá)到90.28%（見(jiàn)表4中“2”），說(shuō)明該區(qū)生成了Cu含量飽和的Ag基固溶體。在灰色組織“3”中出現(xiàn)了Cu和Ti的同時(shí)富集，說(shuō)明TiAl母材擴(kuò)散出的Ti與Cu發(fā)生反應(yīng)生成Ti－Cu相，根據(jù)二者比例判斷此Ti－Cu相應(yīng)為 TiCu2相（見(jiàn)表4中“3”）。

3 結(jié)論

（1）采用 AgCuTi軋制薄帶釬料在880℃／10min規(guī)范下實(shí)現(xiàn)了SiO2f／SiO2陶瓷復(fù)材分別與TC4，TD3和TiAl的連接，接頭界面均結(jié)合致密。

（2）三種接頭的顯微組織比較類(lèi)似，在靠近SiO2f／SiO2母材界面處均形成了寬度只有幾微米的擴(kuò)散反應(yīng)層區(qū)，釬縫基體的灰色組織中富含Cu和Ti，白色組織中富集Ag，主要由Ag基固溶體組成。

（3）釬焊過(guò)程中AgCuTi釬料中的Ti會(huì)發(fā)揮其活性作用與SiO2發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)，釬料中的Ti與金屬母材擴(kuò)散出的Ti共同與SiO2作用生成Ti2O相。另外，Ti優(yōu)先與SiO2結(jié)合反應(yīng)，剩余的Ti再與釬料中的Cu結(jié)合生成以TiCu2為主的Ti－Cu化合物。

［1］ 張大海，黎義，高文，等.高溫天線(xiàn)罩材料研究進(jìn)展［J］.宇航材料工藝，2001，（6）：1－3.

［2］ 姚俊杰.氮化硅顆粒補(bǔ)強(qiáng)石英天線(xiàn)窗復(fù)合材料的研究［D］.上海：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，1996.

［3］ XU C M，WANG S W，HUANG X X，et al.Processing and properties of unidirectional SiO2f／SiO2composites ［J］.Ceramics International，2007，33：669－673.

［4］ 賈德昌，周玉，雷廷權(quán).熱壓工藝對(duì)SiO2f／SiO2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響［J］，宇航材料工藝，2011，（1）：29－31.

［5］ 翁熙祥，梁志杰.金屬粘接技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［6］ 陳波，熊華平，程耀永，等.采用Ag－Cu－Ti釬料釬焊Cf／SiC接頭的組織和強(qiáng)度［J］.材料工程，2010，（10）：27－31.

［7］ 陳波，熊華平，毛唯，等.AgCu基釬料釬焊Ti3Al基合金的接頭組織與性能［J］.焊接，2010，（10）：29－32.

［8］ 虞覺(jué)奇，易文質(zhì)，陳邦迪，等.二元合金狀態(tài)圖集［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987.

［9］ 張麗霞，吳林志，田曉羽，等.SiO2陶瓷與TC4鈦合金的釬焊研究［J］.材料工程，2008，（9）：13－16.

Joining of SiO2f／SiO2Composite to TC4，Ti3Al and TiAl

CHEN Bo，XIONG Hua－ping，MAO Wei，CHENG Yao－yong
（Laboratory of Welding and Forging，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

SiO2f／SiO2composite was successfully joined to TC4，Ti3Al and TiAl using Ag－Cu－Ti brazing foils at 880℃for 10min and the sound joints were formed.The microstructures of three kinds of joints showed that a thin reaction layer was formed near the surface of SiO2f／SiO2matrixes where elements Ti and O were enriched.During the brazing，element Ti in the brazing filler as well as a part of dissolved Ti from base metals together diffused to the surfaces near the composites and reacted with SiO2and finally formed Ti－O phase.According to the atom ratio of Ti and O，it was deduced that the Ti－O phase should be Ti2O phase.The white microstructures and the grey microstructures existed in the three brazing seam.The former was mostly Ag－based solid solution and the latter mainly contained Ti and Cu that formed Ti－Cu phase.

SiO2f／SiO2composite；AgCuTi；TC4；Ti3Al；TiAl

TG454

A

1001－4381（2012）02－0041－04

2011－08－10；

2011－12－05

陳波（1979—），男，碩士，工程師，從事航空新材料的釬焊擴(kuò)散焊研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱20分箱（100095），E－mail：chenbo621＠sina.com