泡沫Ni復(fù)合中間層釬焊W-Cu/1Cr18Ni9的界面組織與性能研究

杜文朝，付林玲，夏春智

(江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212100)

W-Cu復(fù)合材料兼具鎢和銅的屬性，常表現(xiàn)出優(yōu)異的抗放電性能，具有高耐熱性、高電導(dǎo)率以及耐電弧腐蝕性能、耐摩擦等性能[1-3].常用于高壓開關(guān)電器、微電子、高性能電極材料以及軍事、航空航天領(lǐng)域[4-5].但在實(shí)際使用過程中，鎢銅合金常出現(xiàn)抗高溫氧化性差、低溫韌性不足等問題[6].因此工業(yè)上可將鎢銅合金與廣泛使用的1Cr18Ni9不銹鋼連接制成復(fù)合件，用于較為復(fù)雜的工況環(huán)境.由于W-Cu復(fù)合材料與不銹鋼材料之間物理性能的不匹配性，真空釬焊時在其界面連接處往往會形成脆性金屬間化合物以及殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象，大大降低了界面連接強(qiáng)度.

針對上述問題，目前的研究常采用泡沫中間層作為緩沖層進(jìn)行異種材料的釬焊連接[7-10]，以降低殘余應(yīng)力，減少脆性金屬間化合物的形成.但有關(guān)泡沫中間層用于W-Cu與1Cr18Ni9不銹鋼釬焊后組織與性能的研究仍較少.因此，為了進(jìn)一步提高W-Cu與1Cr18Ni9不銹鋼釬焊的結(jié)合強(qiáng)度，文中在參考前人研究[11-15]的基礎(chǔ)上采用多孔泡沫Ni中間層復(fù)合AgCuTi釬料對W-Cu與1Cr18Ni9鋼進(jìn)行釬焊連接，并對其不銹鋼接頭的組織及微觀斷口形貌進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試樣形式

本試驗(yàn)用常見的W55Cu45合金和1Cr18Ni9不銹鋼作為連接材料，金屬泡沫選用通孔率為30%的鎳泡沫.釬料為Lucas Milhaupt公司生產(chǎn)的AgCuTi焊膏，Ag66Cu28Ti8(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%).

W55Cu45合金和1Cr18Ni9不銹鋼試樣尺寸均為20 mm×20 mm×5 mm，鎳泡沫中間層尺寸為20 mm×5 mm×0.2 mm.根據(jù)AgCuTi焊膏對母材潤濕性的差異，將不銹鋼母材放在下方.實(shí)驗(yàn)過程利用特制的模具將AgCuTi焊膏印刷于泡沫鎳兩面各一層.制成復(fù)合釬料的形式為AgCuTi + Ni 泡沫 + AgCuTi.將最終制作完成的試樣放置在如圖1的釬焊夾具中.夾具配備有特定0.2 kg重量的壓頭，給予釬焊試樣一定的壓力，既有利于固定復(fù)合釬料于母材的位置又能提高釬料對母材的潤濕性.

圖1 釬焊裝配示意圖

1.2 釬焊工藝

本試驗(yàn)采用真空釬焊的方法進(jìn)行連接，主要有以下步驟.

(1)工件表面處理.試驗(yàn)前先將母材表面進(jìn)行打磨，去除表面氧化膜，并用丙酮去除連接面的油污；再用無水乙醇脫水處理，吹干.

(2)組裝順序及固定.將事先準(zhǔn)備好的復(fù)合釬料置于兩母材之間，并按照圖1裝配完成后平穩(wěn)置于真空釬焊爐中.

(3)釬焊工藝參數(shù).為了確保釬焊接頭的可靠性，釬焊真空度為3×10-3Pa，其它釬焊工藝參數(shù)見圖2.

圖2 釬焊工藝參數(shù)

1.3 組織分析

使用線切割從釬焊接頭上切下樣品.然后將它們通過一系列不同類型的砂紙研磨、拋光，最后用HCl，HF和HNO3(80∶13∶7)的混合溶液進(jìn)行腐蝕.通過ZEISS Merlin Compact場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察釬縫微觀形貌，運(yùn)用能量色散光譜(EDS)對特定區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)掃描，測定各特征區(qū)域的元素組成及含量；此外，試驗(yàn)中接頭彎曲斷口形貌及特征都通過SEM與EDS等技術(shù)手段進(jìn)行分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 W-Cu合金和不銹鋼釬焊接頭的顯微組織分析

880 ℃釬焊時含多孔鎳泡沫的W-Cu與不銹鋼釬焊接頭顯微組織如圖3.從圖3(a)中可以看出釬焊接頭組織成形良好，釬縫均勻致密，無明顯的孔洞或裂紋等缺陷.在釬焊過程中，泡沫鎳始終保持其三維結(jié)構(gòu)促進(jìn)了釬料熔化過程中元素內(nèi)部的擴(kuò)散性.因此，釬焊接頭的組織結(jié)構(gòu)相較于本課題組[15]僅使用單一AgCuTi釬料釬焊時有更加明顯的均勻性，不再呈現(xiàn)釬縫近母材兩側(cè)組織差別較大的情況.并且，釬料熔化部分流入泡沫鎳空隙中，與泡沫鎳形成互鎖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了釬縫的承載強(qiáng)度，因而釬縫成型光滑不會出現(xiàn)塌陷等問題.

圖3 添加泡沫鎳復(fù)合釬料釬焊接頭顯微組織

圖3(a)中區(qū)域I為釬縫近不銹鋼側(cè)界面反應(yīng)區(qū)，區(qū)域II為釬縫近W-Cu合金側(cè)界面反應(yīng)區(qū)，區(qū)域III為釬縫中心.將區(qū)域III放大如圖3(b)，可以看出釬縫中心主要有3種相組成：分布相對規(guī)則且數(shù)量較多的深灰色團(tuán)塊狀相、不規(guī)則的灰色相以及數(shù)量較多的灰白色相.釬焊過程中泡沫鎳失去了其完整性，初步推測為泡沫鎳與AgCuTi發(fā)生了冶金反應(yīng)，形成了圖3(b)中的深灰色團(tuán)塊狀相，并且作為增強(qiáng)相增強(qiáng)了釬縫的強(qiáng)度.為了更清楚分析釬縫各區(qū)的組織特點(diǎn)，將I區(qū)和II區(qū)進(jìn)行放大，如圖4.

圖4 釬焊接頭特征區(qū)顯微組織

從圖4(a)中可以看出，釬縫近不銹鋼一側(cè)形成寬約10微米的擴(kuò)散層，由少量灰白色絮狀組織和連續(xù)的帶狀組織構(gòu)成.圖4(b)為釬縫近W-Cu合金側(cè)，擴(kuò)散層由大量連續(xù)或間斷的亮白色以及彌散分布的黑色塊狀構(gòu)成.說明擴(kuò)散層的形成是由母材、釬料、泡沫鎳發(fā)生冶金反應(yīng)作用的結(jié)果.

為了進(jìn)一確定釬焊接頭組織特征與元素分布，在圖4(a)中選取4個特征區(qū)域，在圖4(b)中選取3個特征區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1.

表1 泡沫鎳復(fù)合釬料釬焊接頭特征區(qū)域元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

特征區(qū)A的相為釬縫中數(shù)量最多且分布均勻的深灰色團(tuán)塊相，主要元素為Cu(51.32%)，Ni(24.51%)，Ti(22.85%)，與特征區(qū)A相似的相E區(qū)域元素構(gòu)成為Ni(38.34%)，Cu(33.16%)，Ti(28.50%).推測元素分布的原因?yàn)殁F料在泡沫鎳中的均勻擴(kuò)散所致.特征區(qū)B為釬縫中存在的不規(guī)則的灰色相，由大量的Cu元素構(gòu)成，明顯為富Cu固溶體組織；特征區(qū)C與特征區(qū)D為靠近不銹鋼側(cè)的大量深灰色團(tuán)塊相，EDS分析結(jié)果表明特征區(qū)C的主要元素為Cu(47.05%)、Ti(35.25%)、Fe(14.24%)、Ni(3.46%)，推測該區(qū)域主要含有Cu-Ti化合物.在釬焊過程中Ti元素和Cu元素兩者之間具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，依據(jù)Ti-Cu二元合金相圖[16]和熱力學(xué)手冊[17]，Ti和Cu元素可通過下式反應(yīng)生成Ti2Cu金屬間化合物：

Cu(l)+2Ti(l)=Ti2Cu(s)

(1)

(2)

特征區(qū)D主要元素組成為Fe(35.46%)，Ti(42.78%)，依據(jù)Ti-Fe二元合金相圖[16]和熱力學(xué)手冊[17]，Ti元素與Fe元素可生成Fe-Ti化合物；特征區(qū)F是釬縫中心的灰白色相，主要元素為Ag、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90.38%和7.62%，明顯為釬料擴(kuò)散過程中形成的富Ag固溶體組織；特征區(qū)G位于釬縫近W-Cu合金側(cè)，其元素組成較為復(fù)雜.依據(jù)Ti-W和Ni-W二元合金相圖[16]可知，Ni元素可溶解于W元素中形成(Ni，W)固溶相，而Ti與W可發(fā)生冶金反應(yīng)形成(Ti，W)固溶相[17]，有利于增強(qiáng)釬縫與W-Cu側(cè)的結(jié)合力.由上述分析可以推斷，Ni在釬焊過程中參與反應(yīng)以深灰色團(tuán)塊狀均勻分布，Ti元素在釬縫與兩側(cè)母材結(jié)合處均發(fā)生了冶金反應(yīng).

2.2 硬度測試

為進(jìn)一步分析釬焊界面微觀組織對接頭性能的影響，使用維氏硬度計(jì)測試了界面的顯微硬度分布，如圖5.參數(shù)為：加載力為50 g，加載時間10 s，每隔0.5 mm取一個硬度值.

圖5 釬焊接頭近界面處顯微硬度分布

由于W-Cu復(fù)合材料特殊的單體混合組織，其顯微硬度范圍在130～280 HV之間.1Cr18Ni9不銹鋼的顯微硬度值在190～230 HV之間.釬縫寬度較窄，顯微硬度值在170～200 HV之間，接近于兩側(cè)母材基體，呈“V”型分布特征.

釬縫區(qū)硬度過渡平緩、硬度值較高，與釬縫區(qū)形成數(shù)量較多且分布均勻的富(Cu、Ag、Ti)固溶體增強(qiáng)相這一特征相符合.由于較多固溶體增強(qiáng)相的存在強(qiáng)化了釬縫區(qū)的強(qiáng)度和塑韌性.因此，多孔泡沫鎳的使用可以確保釬焊接頭良好的塑韌性和強(qiáng)度.

2.3 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

釬焊接頭主要由釬料形成的釬縫及釬料與臨近母材冶金反應(yīng)層組成.該區(qū)域組織性能較為復(fù)雜，在復(fù)雜的工況環(huán)境釬焊接頭界面可能會發(fā)生損傷與斷裂.因此，研究釬焊接頭的界面斷裂行為具有重要意義.采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)較為簡單，能夠確保試驗(yàn)過程中裂紋沿界面區(qū)擴(kuò)展，且試件不會突然失穩(wěn)[18].根據(jù)本課題釬焊試件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖6的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具，此夾具為標(biāo)準(zhǔn)的30 mm測試夾具.試驗(yàn)儀器采用CMT5205電子萬能試驗(yàn)機(jī)，壓頭位移速度為1 mm/min.相同工藝參數(shù)的釬焊接頭準(zhǔn)備3個試樣，測定試樣所能承受的平均彎曲載荷.釬焊接頭彎曲試驗(yàn)后的試樣如圖7.其中圖7(a)為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)前的試樣，圖7(b)為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的試樣.

圖6 四點(diǎn)彎曲測試結(jié)構(gòu)

圖7 釬焊接頭的四點(diǎn)彎曲試樣

彎曲試驗(yàn)結(jié)果取3個試樣的平均值，彎曲強(qiáng)度按式(3)進(jìn)行計(jì)算.彎曲結(jié)果見表2.

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

σ=3Fa/bh2

(3)

式中：σ為四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，MPa；F為彎曲載荷，N；a為試樣所受彎曲力臂長度，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm.

在四點(diǎn)彎曲加載過程中，釬焊接頭出現(xiàn)了屈服臺階，說明釬焊接頭釋放出了一定的塑性變形，并且彎曲強(qiáng)度達(dá)到了614 MPa.

結(jié)合2.2釬焊接頭界面區(qū)硬度分布可知，由于泡沫鎳的加入，釬縫區(qū)硬度呈平緩過渡的“V”型分布，硬度更接近于兩側(cè)母材.相較于本課題組[15]僅使用AgCuTi釬料釬焊W-Cu合金和1Cr18Ni9不銹鋼時硬度呈現(xiàn)“硬夾軟”的特殊結(jié)構(gòu)，有更為良好的力學(xué)性能表現(xiàn).因此，力學(xué)性能相較于僅使用AgCuTi釬料時的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度576 MPa有較大的提升.

2.4 微觀斷口形貌

圖8為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的試樣釬焊接頭斷口形貌，并對微觀斷口不同的特征區(qū)進(jìn)行能譜分析.

圖8 釬焊接頭的斷口形貌及特征區(qū)

從圖8(a)中可觀察到接頭斷面凹凸不平，有明顯的顆粒狀，符合沿晶斷裂特征；圖8(b)的截面為不銹鋼側(cè)界面斷裂特征，可發(fā)現(xiàn)明顯的臺階解理面、河流花樣，以及較少撕裂脊.因此，不銹鋼側(cè)脆性斷裂占據(jù)主導(dǎo)地位.圖8(c)W-Cu側(cè)斷口特征，有較明顯的撕裂脊即韌窩存在，說明在鎢銅側(cè)產(chǎn)生韌脆混合斷裂，其中韌性斷裂占主導(dǎo)地位.

為了進(jìn)一步分析斷裂機(jī)理，對斷口界面特征區(qū)進(jìn)行EDS成分分析，結(jié)果見表3.特征區(qū)1、5主要元素為Fe、Ti，特征區(qū)2主要元素為Cu、Ti，說明在不銹鋼側(cè)界面斷裂處出現(xiàn)了脆性化合物Fe2Ti與Cr2Ti.特征區(qū)3、8和6均位于韌窩內(nèi)部，元素組成較為相似，均是以Cu和Ag為主要元素，說明在這些區(qū)域形成了大量的具有良好塑性的Ag(Cu)基和Cu(Ag、Fe)基固溶體.在斷裂前該類固溶體組織能夠變形并釋放一定的界面能，當(dāng)應(yīng)力不斷加大，接合面開始發(fā)生位錯、滑移，微觀晶粒開始發(fā)生局部應(yīng)變和變形，產(chǎn)生顯微空洞直至長大形成韌窩.因此，脆性斷裂主要發(fā)生在釬縫近不銹鋼側(cè)的金屬間化合物聚集處，韌性斷裂主要發(fā)生在釬縫近鎢銅側(cè)的固溶體組織處.

表3 釬焊接頭斷口特征點(diǎn)元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 結(jié)論

(1)多孔結(jié)構(gòu)Ni泡沫中間層的添加可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼與鎢銅合金釬焊的良好連接，并且接頭處組織成形良好，釬縫組織均勻致密，無明顯的孔洞或裂紋等缺陷.釬焊接頭微觀組織主要由富含Cu-Ti-Ni的增強(qiáng)相，Cu基固溶體，Ag-Cu基固溶體，Ti(W)和Ni(W)固溶體組成，近不銹鋼擴(kuò)散層處生成了少量Cu2Ti與Fe2Ti化合物.

(2)釬焊接頭的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果：采用泡沫鎳中間層后的復(fù)合釬料釬焊W-Cu合金和1Cr18Ni9不銹鋼，得到接頭強(qiáng)度較為理想，達(dá)到614 MPa.接頭斷裂位于釬縫近不銹鋼側(cè).

(3)對微觀斷口特征進(jìn)行分析表明：釬焊接頭斷口較為復(fù)雜，表現(xiàn)為典型的韌脆混合斷裂.在不銹鋼側(cè)界面處生成了少量的金屬間化合物，因此在不銹鋼側(cè)主要以脆性斷裂為主；在鎢銅合金側(cè)形成了大量的固溶體組織，導(dǎo)致韌窩的大量出現(xiàn).因此，在鎢銅側(cè)主要以韌性斷裂為主.