SiO2f／SiO2 復合材料與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，每種接頭界面均結合良好。接頭顯微組織結果表明，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散反應層組織，在該組織中出現了Ti和O的富集。分析認為，釬焊過程中釬料中的Ti會優先向SiO2f／SiO2母材邊緣擴散，同時，金屬母材中的元素在液態釬料的作用下不斷向釬縫中溶解，其中一部分母材中的Ti也會向復合材料母材邊緣擴散，兩種不同來源的Ti共同與SiO2發生反應生成Ti－O相，根據三種接頭擴散層中Ti和O的原子比例推斷Ti－O相為Ti2O。三種接頭的釬縫基體區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，二者結合生成Ti－Cu組織。

SiO2f／SiO2復合材料；AgCuTi；TC4；Ti3Al；TiAl

石英（SiO2）是一種自然界中含量極為豐富的物質，該材料具有硬度高、光透過率高，耐燒蝕性好、抗熱震性能好和極低的熱導率等優良特性，在半導體、光學儀器、電子、通訊等領域得到了廣泛的應用。但是，該材料還存在一些缺點，如彎曲強度低、斷裂韌性低、耐雨蝕能力差等。為了提高石英的力學性能并且保持其寬波段透波率，近些年來人們逐步研制出了二氧化硅纖維增強二氧化硅基體的陶瓷基復合材料（SiO2f／SiO2），該材料具備了抗熱沖擊性能好、高韌性、高可靠性和對裂紋等缺陷不敏感等一系列優良特性，成為了天線罩材料的理想選擇之一［1－4］。

大尺寸或結構復雜的SiO2f／SiO2零件在制備過程中常常需要連接技術作為輔助工藝，這不但可以降低成本，而且可以簡化制造工藝，提高成品率。關于該復合材料的連接技術報道很少，常規的連接方法包括機械連接、粘接和焊接等。機械連接雖然原理簡單，但會使系統增重，滿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，能夠滿足復雜結構設計的要求，但接頭耐溫能力較差，難以達到陶瓷復材更高溫度或更長時間的使用要求［5］。在各種焊接方法中釬焊是連接SiO2f／SiO2陶瓷復材的有效方法，但是關于該復合材料釬焊連接的相關文獻報道卻很少。

本工作將針對SiO2f／SiO2陶瓷基復合材料，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，比強度高等一系列優點（見表1），可以部分取代高溫合金而使系統達到減重效果，目前在飛機機身及航空發動機上得到了廣泛應用。因此，研究金屬與SiO2f／SiO2的連接將推動該復合材料及相應的連接技術在航空和航天領域的更廣泛應用。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力。釬焊規范選為880℃／10min，分析接頭界面微觀組織，闡述界面連接機理。

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 實驗方法

三維編織的SiO2f／SiO2陶瓷基復合材料的微觀組織如圖1所示，該材料原始狀態為120mm×16mm×6mm的長條，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，陶瓷復材與金屬之間預置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，熱態真空度介于1.0×10－2Pa和4.0×10－3Pa之間，保溫結束后以5℃／min的冷卻速率冷卻至400℃，再隨爐冷卻到室溫。

圖1 SiO2f／SiO2陶瓷基復合材料的顯微組織照片Fig.1 Backscattered electron image of SiO2f／SiO2composite

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

2 實驗結果與討論

2.1 SiO2f／SiO2 與TC4的連接

圖2給出了880℃／10min規范下的SiO2f／SiO2／TC4接頭顯微組織及相應元素的面分布，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散反應層組織（見圖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”層的區域出現了寬窄不均、呈網狀分布的灰色組織“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。

結合圖2中各元素面分布以及表2給出的接頭特征區域元素含量可見，在擴散反應層“1”中，富集了含量超過40%的Ti，另外還含有近20%的O，兩種元素相結合生成Ti－O相（見表2中“1”）。“2”區和“3”區分別出現了Cu和Ag的富集，在這兩個區域中分別形成了Cu基固溶體和 Ag基固溶體［8］。根據圖2（d），（e）分別給出的Ti和Cu的面分布圖可知，灰色組織“4”中出現了Ti和Cu的富集，生成相應的Ti－Cu相。O和Si在復合材料母材中分布較為明顯（見圖2（b），（c））接頭中擴散反應層“1”的存在說明了對于SiO2和Cu兩種物質而言，Ti更易于與前者結合。但是，Ti除了在“1”區分布較多以外，在灰色組織“4”中也出現了富集。在釬料熔化過程中，釬料中的Ti會優先向SiO2f／SiO2母材邊緣擴散，同時，TC4母材在液態釬料的作用下不斷向釬縫中溶解，大量的Ti向釬縫中擴散，其中一部分TC4母材中的Ti也會向復合材料母材邊緣擴散，與釬料中原始的Ti一起和SiO2發生如下反應：

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 對應圖2（a）中特征區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

根據擴散反應層“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發生反應生成Ti－Si相，但是Si的原子半徑大，擴散速度慢，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母材擴散出的Ti除了向“1”層中擴散以外，剩余的Ti與釬料中的Cu發生反應生成Ti－Cu相，該相會沿著TC4母材邊緣形核長大，直至消失掉釬料中大部分的Cu，因此在“4”區中出現了Ti的富集。釬縫基體中的白色區域組織主要由Ag基固溶體組成，相比其他相而言，其熔點最低（依據成分推斷［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化過程中起到了至關重要的作用，一是它與SiO2反應生成擴散反應層“1”的活性作用；二是從TC4中擴散出的Ti與Cu相互作用生成了大量Ti－Cu相的組織過渡作用；三是Ti與Cu結合使得釬縫中心形成了大量的塑性優良的貧Ti的Ag基固溶體，起到了緩解接頭中殘余熱應力的作用。由此可見，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實驗中進行測試。

2.2 SiO2f／SiO2 與Ti3Al的連接

從880℃／10min規范下的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散反應層“1”（見圖3（a）），結合表3和圖3中元素面分布圖，該層中出現了Ti和O的富集，根據這兩種元素的原子分數，推斷生成了Ti2O相。另外，還有一部分Si和Cu以及少量的Al同時分布在“1”區中，Al的存在說明在該區形成過程中已經有部分TD3母材溶解并向釬縫中擴散，根據Al在接頭“3”區和“1”區中的含量，說明Al在濃度梯度作用下以液態釬料作為載體，由TD3母材向復合材料母材擴散，其含量呈現遞減趨勢。Al向釬縫擴散的同時，Ti也向釬縫中擴散，參照Ti和Cu的面分布情況（分別見圖3（b），（c）），在釬縫基體區域兩種元素的分布情況一致，均分布于灰色基體相“3”中，說明二者相結合生成了Ti－Cu相，且該Ti－Cu相最可能為TiCu2（見表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”區的附近，出現了與“1”區分布相類似的帶狀分布。

表3 對應圖3（a）中特征區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

目前就航空領域而言，TiAl金屬間化合物的研制與應用日益受到人們的重視，這源于其優良的耐高溫性能和高的比強度。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合材料向高溫領域應用提供技術儲備。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，靠近復合材料的界面處形成了灰色擴散反應層“1”，其厚度約為3～4μm。釬縫基體區主要由白色組織“2”和灰色組織“3”交叉分布而成，同時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 對應圖4中特征區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

根據表4給出的接頭特征區域元素含量可知，擴散反應層“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應該區的分布情況類似，因此推斷O和Ti在該區中形成了Ti2O相。另外，該區中還分布著較多含量的Cu、少量的Si和Al，由于元素多、成分復雜，該區中不排除生成了除Ti2O相以外的二元相或多元相的可能。釬縫基體白色區“2”中主要含有Ag和Cu，且Ag的含量達到90.28%（見表4中“2”），說明該區生成了Cu含量飽和的Ag基固溶體。在灰色組織“3”中出現了Cu和Ti的同時富集，說明TiAl母材擴散出的Ti與Cu發生反應生成Ti－Cu相，根據二者比例判斷此Ti－Cu相應為 TiCu2相（見表4中“3”）。

3 結論

（1）采用 AgCuTi軋制薄帶釬料在880℃／10min規范下實現了SiO2f／SiO2陶瓷復材分別與TC4，TD3和TiAl的連接，接頭界面均結合致密。

（2）三種接頭的顯微組織比較類似，在靠近SiO2f／SiO2母材界面處均形成了寬度只有幾微米的擴散反應層區，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）釬焊過程中AgCuTi釬料中的Ti會發揮其活性作用與SiO2發生反應，同時，釬料中的Ti與金屬母材擴散出的Ti共同與SiO2作用生成Ti2O相。另外，Ti優先與SiO2結合反應，剩余的Ti再與釬料中的Cu結合生成以TiCu2為主的Ti－Cu化合物。

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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散焊研究，聯系地址：北京市81信箱20分箱（100095），E－mail：chenbo621＠sina.com