表面粗糙度對TiAl/AgCu/TiAl釬焊質量的影響

黃小明，雷 敏，李學文，李玉龍

(江西省機器人與焊接自動化重點實驗室南昌大學機電工程學院，南昌330031)

對于選定體系的釬焊過程，影響因素有釬焊溫度、保溫時間、間隙、加載壓力、表面粗糙度及釬焊體系的氣氛環(huán)境等，其中，溫度和保溫時間為最主要的影響因素［1－3］.表面粗糙度作為非決定性因素，對釬焊過程界面元素的擴散和釬料的潤濕鋪張有著重要的影響;非光滑的、一定的表面粗糙度對熔融的釬料有著毛細作用，可能定向促進或者抑制釬料潤濕鋪展［4－7］.

TiAl合金作為一種輕質高溫結構材料，具有密度低、熔點高、高溫強度、剛性、抗氧化性和抗腐蝕性好的特點，被認為是一種理想的、富有研究開發(fā)應用前景的新型高溫結構材料［8－9］.盡管已有較多的TiAl合金釬焊研究工作，然而有關表面粗糙度對其釬焊過程影響的研究較少.已有文獻表明，表面粗糙度對釬焊過程具有重要影響［10－11］.

本文采用AgCu共晶合金箔作為釬料對TiAl基板進行真空釬焊，研究基板表面粗糙度與磨痕方向對具有強烈界面反應的TiAl釬焊過程及隨后接頭性能的影響，重點研究粗糙度對釬料潤濕鋪展過程、接頭界面組織及力學性能的影響.

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所用基板母材為經過熱鍛處理的TiAl合金棒材，TiAl合金成分為 Ti－46.5Al－2.5V －1.0Cr(原子分數)，將其加工成10 mm×5 mm×3 mm的剪切強度試樣和界面組織觀察試樣.實驗所用釬料為Ag－28Cu(質量分數)共晶合金箔，厚度0.1 mm，熔點780℃.

1.2 實驗方法

在真空爐中進行TiAl的釬焊過程，真空度為(1.3～3.0) ×10－3Pa.釬焊試樣的搭接結構如圖1所示，搭接面積為5 mm×1 mm，釬焊過程中保持0.14 MPa的壓力，以防發(fā)生移動;將焊好的剪切強度試樣放入相應夾具結構中，測定焊接接頭的剪切強度.

圖1 剪切試樣與剪切過程示意圖Fig.1 Schematic of shear test specimen and the setup

采用原子力顯微鏡(Agilent 5500 AFM/SPM)測定TiAl合金基板的表面粗糙度及其形貌.將釬焊接頭研磨拋光進行標準金相制樣，采用光學顯微鏡(Neuphi－Olymps)、環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEI，Quanta 200F)和能譜分析(EDS，IE250X Max50)對焊接接頭的顯微組織進行分析.

根據現有研究和前期參數優(yōu)化實驗，選擇真空釬焊溫度870 ℃，時間5 min［12－13］.實驗分3 個階段進行，第1階段研究表面粗糙度與磨痕方向對釬料潤濕鋪展的影響.選用直徑1 mm、厚0.07 mm的AgCu圓形箔作為釬料，將釬料置于6 mm×6 mm×0.5 mm的TiAl基板表面;然后，將試樣放入真空爐中進行實驗，升溫到實驗溫度，保溫、冷卻凝固得到釬料熔化熔敷外觀;使用潤濕角測量儀(LWAT/L－1)，觀察分析釬料潤濕鋪展過程的動態(tài)潤濕角.其中，真空爐和潤濕角測量儀中的溫度經過校準，溫度相同，真空度相同.

第2階段評估表面粗糙度對釬焊接頭組織及力學性能的影響.根據第1階段結果可知，砂紙定向研磨的基板，釬焊時釬料潤濕鋪展會沿磨痕方向優(yōu)先流動.由原子力顯微鏡所測結果可知，研磨方式(定向或雜亂無序)對表面粗糙度(Sa)的影響不大，并且為減小釬料優(yōu)先流動可能帶來的釬料流失和焊后釬角不均等影響，選擇砂紙磨痕方向為雜亂無序;分別采用360#、800#、1200#砂紙對基板試樣表面研磨處理和拋光處理，從而獲得不同表面粗糙度基板.實驗前將所有處理后的試樣放入丙酮溶液中超聲波清洗20 min，然后將裝配好的試樣放入真空爐中進行釬焊.在CTM2500微機控制電子萬能材料試驗機上以0.5 mm/min的加載速率測定接頭的剪切強度，實驗中1個參數至少測試5個樣品求平均值.

第3階段探究不同表面磨痕方向對釬焊接頭力學性能的影響，根據前述結果，選用800#砂紙對基板表面進行不同的研磨處理:1)磨痕方向與釬焊接頭長度方向平行，與接頭剪切性能測試的外力加載方向平行;2)磨痕方向與釬焊接頭長度方向垂直，與接頭剪切性能測試的外力加載方向垂直;3)磨痕方向為雜亂無序.

2 結果與討論

2.1 釬料潤濕鋪展

2.1.1 基板表面研磨后的粗糙度

圖2展示了表面研磨處理后TiAl基板的表面三維形態(tài)，表面粗糙度如表1所示.其中，Sa為整個掃描區(qū)域的算術平均值，Sq為區(qū)域中的最高點，Sv為區(qū)域中最低點絕對值［14］.

從圖2可見，表面拋光(采用1 μm金剛石磨料拋光)基板的表面平整度要明顯優(yōu)于其他4組，且粗糙度(Sa=3 nm)遠低于其他處理方式.砂紙定向磨削處理后的基板表面形貌具有方向性，Sa主要受砂紙粗細型號的影響，所用砂紙越粗，基板表面所測Sa越大，砂紙研磨方式對Sa影響不大.表1中未列出的360#砂紙無序研磨基板粗糙度Sa=0.133 μm，1200#砂紙無序研磨基板粗糙度Sa=0.063 μm.

圖2 不同表面處理試樣表面形態(tài)Fig.2 Surface topography of the specimens with different surface treatments(a)Directional grinding by 360#grit paper;(b)Directional grinding by 800#grit paper;(c)Directional grinding by 1200#grit paper;(d)surfaces polishing;(e)disorderly grinding by 800#grit SiC paper

表1 不同表面處理試樣表面粗糙度值Table 1 Surface roughness of the specimens with different surface treatments

2.1.2 釬料潤濕鋪展

如圖3所示，將直徑1 mm、厚0.07 mm的釬料圓片置于拋光處理后的TiAl基板表面，在潤濕角測量儀中觀察真空條件下AgCu在TiAl基板上的潤濕鋪展，當溫度達到750℃時開始觀察并錄像.

如圖3所示，當溫度達到772℃左右時，釬料開始隨著溫度的升高逐漸收縮，因而可推知釬焊過程中釬料應該有一個對應的收縮，只是釬料在兩層TiAl基板中間，并且在加載壓力的作用下這種過程并不明顯.當溫度達到819℃時，釬料開始潤濕鋪展.溫度持續(xù)升高，焊料持續(xù)鋪展，當溫度達到870℃、保溫時間(t)達到53 s時，潤濕鋪展過程基本完成.

圖4為真空爐中釬料在不同基板表面潤濕鋪展結果，其中，圖4(a)為釬料在Sa=0.134 μm 的基板鋪展前形貌.為便于說明與分析，將砂紙研磨磨痕方向定義為x方向，與基板表面研磨磨痕方向垂直的方向定義為y方向.從圖4(b)～(d)可見，AgCu釬料在定向研磨的基板表面潤濕鋪展后呈現橢圓形，釬料在x方向優(yōu)先鋪展.

從圖2基板表面原子力照片可見:定向研磨的基板表面在x方向有連續(xù)的通道結構，且研磨砂紙越粗糙，基板表面粗糙度(Sa)越大，通道溝槽越深，沿y方向擴散的液態(tài)金屬釬料會受到表面溝槽的阻礙;與此同時，沿x方向鋪展的液態(tài)金屬可能會受到溝槽的毛細作用，導致釬料沿x方向優(yōu)先鋪展［5，7］.從圖 4(b) ～ (d)可見:隨著Sa的增大，鋪展后的表面形貌沿x方向優(yōu)先鋪展越明顯;基板表面越粗糙，Sa越大，y方向所受阻力越大，釬料沿x方向鋪展得越多.當基板表面拋光處理或采用砂紙無序研磨時，釬料鋪展后的形貌將為一個近似的圓，如圖4(e)、(f)所示.

圖3 AgCu釬料在拋光TiAl基板表面的鋪展Fig.3 The spreading of the AgCu filler material over the polished TC4 substrates

圖4 AgCu釬料在TiAl基板表面的鋪展Fig.4 The spreading of the AgCu filler material over the polished TC4 substrates:(a)morphology of solder before filler material spreading which is directionally with grit papers;(b)Sa=0.134 μm;(c)Sa=0.108 μm;(d)Sa=0.058 μm;(e)polished surfaces(Sa=0.003 μm);(f)substrate disorderly ground by grit paper(Sa=0.103 μm)

2.2 接頭界面組織

已有較多文獻研究了TiAl合金釬焊，對釬焊接頭組織進行了詳細分析［8，13］.圖 5 為Sa=0.103 μm的基板釬焊后接頭界面組織形貌.表2列出了圖中各點的能譜EDS結果.

從圖5(a)可見，870℃/5 min條件下釬焊接頭成型良好，無氣孔和微裂紋等缺陷.根據能譜EDS結果結合已有文獻，釬焊接頭中主要的金屬間化合物為AlCu2Ti和AlCuTi，在AlCu2Ti與TiAl基體之間部分界面存在著鋸齒狀的Ti3Al［15］.

圖5 TiAl合金釬焊接頭的界面組織(a)和局部放大圖(b)Fig.5 Microstructure of TiAl brazed joint:(a)the whole joint;(b)magnification of interface

圖6為砂紙無序研磨時不同粗糙度TiAl基板釬焊后的接頭界面組織.從圖6可見，表面粗糙度對釬焊接頭中界面組織形貌形成影響不明顯.在具有強反應的釬焊過程中，一定的釬焊溫度和保溫時間條件下，表面粗糙度的變化可能會影響釬料與母材的接觸面積，在反應前期可能會影響母材與釬料間的溶解與擴散.從實驗結果來看，對于釬焊過程具有強烈界面反應的TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊，釬焊溫度與保溫時間是對釬焊過程、界面組織形成起主要和決定性的因素［2，15］，表面粗糙度對界面組織形成影響不明顯.定向研磨可能影響釬料潤濕鋪展距離，對此加以利用對其他相似釬焊過程同樣具有參考意義.

圖6 不同粗糙度TiAl基板釬焊接頭界面組織形貌Fig.6 Microstructure of TiAl brazed joint of different surface roughnesses

2.3 接頭力學性能

圖7 (a)為砂紙無序研磨時不同粗糙度TiAl基板釬焊后接頭剪切力學性能實驗結果.可見，隨著表面粗糙度的減小，接頭剪切性能先上升后下降.使用Sa=0.103 μm的基板時，釬焊接頭平均剪切強度達到最優(yōu)為323 MPa，強度均方差值最小;而Sa=0.133 μm的基板，釬焊接頭平均剪切強度最低，強度為245 MPa，強度均方差值最大.

根據上述結果，選用800#砂紙對TiAl基板進行不同研磨處理，基板釬焊接頭剪切強度結果如圖7(b)所示.

圖7 釬焊接頭剪切性能Fig.7 Shear strength of brazed joint(a)different surface roughness;(b)different grinding methods

從圖7(b)可見，相比其他2種研磨方式，磨痕方向與外力垂直的基板釬焊接頭平均剪切強度更優(yōu)，不同研磨方式基板釬焊接頭剪切強度結果相差不大.結合圖2釬料潤濕鋪展結果可知，這可能是釬焊過程中，熔融釬料在定向研磨基板表面的優(yōu)先鋪展增強了釬料的潤濕效果，從而減少微孔的產生［16］.在某些結構復雜工件釬焊生產過程中，可以通過改變基板的研磨方式來控制焊料的流動，從而使釬料能夠有效地潤濕填充.

3 結論

1)表面粗糙度與磨痕方向對AgCu釬料在TiAl基板表面的潤濕鋪展有較大影響;熔融AgCu釬料在定向研磨的TiAl基板表面鋪展時會沿著砂紙磨痕方向優(yōu)先潤濕鋪展，且基板表面越粗糙，粗糙度值Sa越大，這種特征越明顯.

2)對于釬焊過程具有強烈界面反應的TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊，表面粗糙度Sa對接頭組織形貌及反應相的形成影響不明顯.

3)表面粗糙度對TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊接頭力學性能有一定的影響.相比于其他表面，采用Sa=0.103 μm的基板所焊焊接接頭剪切強度最優(yōu)，達到 323 MPa;而Sa=0.133 μm 的基板所焊接接頭剪切強度最低，強度為245 MPa，強度均方差值最大.