超聲振動與激光加熱耦合條件下Al基釬料在TiNi形狀記憶合金表面潤濕鋪展行為

李　紅，陶博浩，栗卓新，郭　福

(北京工業大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

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超聲振動與激光加熱耦合條件下Al基釬料在TiNi形狀記憶合金表面潤濕鋪展行為

李紅，陶博浩，栗卓新，郭福

(北京工業大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

采用一種超聲輔助激光釬焊的方法，對低熔點的Al基釬料在TiNi形狀記憶合金合金表面進行了潤濕性實驗。研究結果表明：隨超聲時間增加，釬料鋪展面積先增大后減少，潤濕角先減小后增大。釬料潤濕前沿存在Al2Si,Al3Si,AlSi等相，釬料熔滴中心靠近界面處，AlSi和AlSiTi相的晶粒尺寸及其中Si元素的含量均隨超聲時間增加而逐漸增大；隨著激光功率的降低，釬料鋪展面積逐漸降低，潤濕角逐漸增大，在釬料熔滴中心靠近界面處生長出寬度小于10μm的AlSi(Ti,Ni)金屬間化合物。當超聲振動時間為1.0s，激光功率470W，母材表面粗糙度為0.03μm時，實驗獲得的最大鋪展面積為106.45mm2，最小潤濕角為16°。

超聲振動；激光釬焊；釬料；TiNi形狀記憶合金；潤濕

近等原子比的TiNi形狀記憶合金(TiNi SMA)具有優良的形狀記憶特性和超彈性，以及良好的抗腐蝕性和生物相容性，在航天、機械、能源、交通和醫療等領域應用廣泛，因此開展TiNi SMA連接技術的研究工作非常重要[1,2]。TiNi SMA與異種金屬的連接主要存在兩方面的問題：(1)TiNi SMA本身對溫度及成分變化十分敏感，其焊接工藝控制比較復雜[3]；(2)除了要保證TiNi SMA焊接接頭無缺陷并具有一定的力學性能之外，還要保證接頭的形狀記憶效應和超彈性能夠達到所需要求。因此，它比一般的金屬更難于連接，常用的連接技術主要有：熔焊(激光焊、氣保護焊)[4-6]和釬焊(紅外釬焊、爐中釬焊、激光釬焊)[7,8]。

根據Ti-Ni二元合金相圖可知，當溫度在650℃以上時，近等原子比的Ti-Ni合金中主要存在三種合金化合物：Ti2Ni，TiNi，TiNi3。激光焊的焊接接頭強度較高，但是由于其焊接溫度較高，TiNi SMA焊接接頭組織與原母材組織相比，焊縫晶粒尺寸大小不均勻，隨著激光脈沖能量的增加，焊縫區和HAZ區組織有粗化趨勢[9]，并且焊縫中多存在氣孔、裂紋以及Ti2Ni等金屬間化合物[9,10]，影響接頭的形狀記憶性能和超彈性，限制了合金的應用；而釬焊通過選用合適的中、低溫釬料，采用單一或復合釬焊技術，可以將釬焊溫度降至合金轉變溫度以下，保證TiNi SMA母材不熔化，以減少Ti2Ni，TiNi3等合金化合物對焊縫組織的影響。但由于釬料合金元素的擴散系數、熱膨脹系數差別較大，在焊縫中極容易產生大量的脆性金屬間化合物，從而影響釬焊接頭的力學性能及形狀記憶功能。有研究者認為可以通過控制焊接工藝或采用預置填充稀土元素的激光焊方法來改善TiNi SMA焊接接頭的形狀記憶特性[11]。

針對上述問題，本研究采用一種超聲輔助激光釬焊的方法，在激光熱輸入和超聲振動耦合作用下，通過激光能量直接加熱釬料，可以精確控制釬焊溫度在TiNi SMA合金相變溫度以下，保持母材固態和原有性能不變；利用超聲波去膜和促進填縫的作用，實現異種金屬間的無釬劑釬焊連接[12]。

本工作研究了超聲振動輔助激光加熱條件下，Al基釬料在近等原子比的TiNi形狀記憶合金板上的潤濕鋪展行為，激光功率和超聲時間耦合條件下的釬料鋪展工藝窗口。并研究了激光功率，超聲時間和母材表面粗糙度等參數變化對釬料潤濕鋪展性能和界面微觀組織的影響。

1　實驗材料及方法

實驗采用熔點為560～600℃的Al-Si-Zn-Ag-Ti釬料，尺寸為5mm×5mm×3mm。潤濕鋪展母材為Ti50.2Ni49.8形狀記憶合金，相轉變溫度為650℃，熔點為1310℃，尺寸為50mm×40mm×3mm。使用半導體激光器SM30-100D作為能量發射源，最大功率為1000W，光斑有效加熱尺寸8mm×8mm。超聲波設備頻率20kHz，振幅55μm。采用RaytekM13紅外測溫儀對潤濕鋪展的釬料表面進行測溫。潤濕鋪展實驗采用座滴法，將釬料置于母材上，加熱釬料至其下塌熔化，在釬料一側位置加載超聲波振動，使釬料潤濕鋪展母材。潤濕鋪展工藝參數范圍：超聲振動時間為0.5～2.5s、激光功率分別為273W(激光電流35A)、340W(激光電流40A)、407W(激光電流45A)和470W(激光電流50A)。首先確定Al基釬料在TiNi SMA母材表面潤濕鋪展的工藝窗口(不同表面處理的母材表面粗糙度Ra分別為0.03μm和0.8μm)。參考此工藝窗口選擇合適的激光功率和加熱時間參數，進行釬料的潤濕鋪展實驗。將鋪展后的試樣，以1元硬幣作為參照物掃描，制圖后用AUTOCAD計算面積。并取所有試樣的最大橫截面制備金相試樣，腐蝕后在BX51M金相顯微鏡下測量潤濕角，使用3400N型掃描電鏡觀察界面組織形貌。

2　結果與分析

2.1超聲振動時間與激光功率耦合潤濕工藝窗口

圖1(a)，(b)分別為低熔點Al基釬料在不同表面粗糙度的TiNi SMA母材上潤濕鋪展的工藝窗口。橫坐標是激光功率，縱坐標是加熱時間，指的是從激光開始加熱釬料到釬料全部熔化所需的時間。釬料熔化后，超聲波加載時間為0.5～2.5s，圖中梯形區域將工藝窗口分為A區、B區和C區。

圖1　Al基釬料在TiNi SMA表面鋪展潤濕的工藝窗口(超聲波加載時間0.5～2.5s)(a)Ra=0.03μm;(b)Ra =0.8μmFig.1　Wetting lobe of Al-based brazing filler metal on TiNi SMA substrates(ultrasonic vibrating time 0.5-2.5s)(a)Ra=0.03μm;(b)Ra=0.8μm

圖1中的A區域表示下述過程：采用激光加熱釬料至釬料熔化下塌，加載超聲波振動瞬間釬料會鋪展潤濕母材，但隨即會被整體或部分震飛，釬料熔滴在母材上形成了顏色黑暗、表面粗糙的球冠形潤濕表面，其鋪展面積較小，潤濕角較大。這是因為激光加熱釬料的時間過長，表面氧化嚴重，在加載超聲振動時，釬料氧化膜破碎并在液態釬料前沿塞積，阻礙釬料流動，減少液態釬料表面張力，使釬料被震飛；圖1中的C區域表示下述過程：釬料受熱表面出現下塌，加載超聲振動時釬料沒有鋪展潤濕母材，其中部分釬料被整體震飛，釬料熔滴在母材上沒有形成球冠形潤濕表面，無鋪展面積和潤濕角。這是因為激光加熱釬料的時間過短，釬料內部沒有完全熔化，在加載超聲振動時，釬料已經熔化的部分較少，不足以破碎氧化膜和鋪展潤濕母材，導致釬料被震飛；圖1中的B區域表示下述過程：對下塌后的釬料加載超聲振動，沒有產生釬料飛濺或者從母材表面脫落的現象，釬料激光功率與超聲時間能夠實現很好的耦合，釬料在母材上形成了顏色光亮、表面光滑圓潤的潤濕球冠，與A，C區域中的潤濕球冠相比其鋪展面積大，潤濕角小。因此，可將B區域視為超聲振動時間與激光功率耦合條件下釬料潤濕的工藝窗口。

由圖1(a)，(b)可知，隨著激光功率不斷增大，加熱釬料所用的時間逐漸縮短，B區域的窗口也越來越狹窄。如圖1(a)所示，當TiNi SMA母材表面粗糙度Ra=0.03μm、激光功率為273W時，加熱釬料所用時間約為150s；而當激光功率為470W時，加熱時間僅為40s。

圖2為表面粗糙度Ra=0.03μm，不同激光功率條件下，加熱時間與Al基釬料表面溫度的關系圖。由圖2可知，激光功率較高，在較短時間內(40，60s)內釬料表面溫度可以達到620℃左右，而激光功率較低時，由于釬料表面已存在較厚的氧化膜層，即使加熱時間較長(100，150s)，釬料表面溫度也較低，只有510℃左右，不足以熔化釬料。

圖2　不同激光功率條件下，釬料表面溫度與加熱時間的關系Fig.2　Variation of brazing filler surface temperature with heating time under different heating powers

2.2超聲振動時間對Al基釬料潤濕鋪展性的影響

激光功率為470W、TiNi SMA母材表面粗糙度Ra=0.03μm時，超聲振動時間對釬料鋪展潤濕性的影響規律如圖3所示。隨著超聲振動時間的增加，Al基釬料在TiNi SMA表面的鋪展面積先增大后減小，潤濕角變化趨勢與鋪展面積相反，呈現先減小后增大的趨勢。當超聲時間為1.0s時，可獲得最大鋪展面積為106.45mm2和最小潤濕角為16°。

圖3　超聲振動時間對Al基釬料潤濕鋪展面積和潤濕角的影響Fig.3　Effect of ultrasonic vibrating time on spreading area and wetting angle

選取超聲振動時間為1.0s和2.5s的金相試樣進行SEM和EDS分析，結果見圖4,5及表1,2。由表1,2可知，超聲振動時間為1.0s及2.5s時，圖4(a)和圖5(a)中釬料鋪展前沿的黑色物相均是Al2Si，Al3Si，AlSi相等。當超聲振動時間為1.0s時，在靠近母材的釬料熔滴中心位置主要存在的組織為Al2Si(Zn,Ti)，Al3Si，AlTi3，AlSi2相等；當超聲振動時間為2.5s時，在靠近母材的釬料熔滴中心位置則主要存在的組織為Al3Si2，Si2(Al,Ti)，AlSi2相等。而圖5(b)中的灰白色、白色晶粒尺寸及其中Si元素的含量均大于圖4(b)中的晶粒尺寸及Si元素含量。

隨著超聲振動時間的延長，超聲振動破碎基體和釬料表面氧化膜，一方面促進了釬料的潤濕，另一方面也促進并加快了釬料與母材的相互作用，使得釬料中的Si元素、母材中的Ti等元素逐漸向潤濕界面集中，并在界面處形成新的化合物。同時，在超聲振動作用下，液體內部會產生強對流，會增大形狀因子，使得析出的晶粒形狀會更大、更接近圓形，而在液體內部發生超聲空化作用時，空化氣泡破碎瞬間能產生高壓和不低于5000℃的高溫[13]，可以破碎晶粒生長過程中生成的細小枝晶，使得晶粒變得更加粗大，這些晶粒在界面處集中，阻礙了釬料的進一步流動，從而影響了釬料在TiNi SMA母材表面的鋪展和潤濕。

2.3激光功率對Al基釬料潤濕鋪展性的影響

超聲振動時間為1.0s，表面粗糙度Ra=0.03μm時，激光功率對Al基釬料的鋪展潤濕影響見圖6。隨著激光功率的增加，Al基釬料在TiNi SMA表面的鋪展面積逐漸增大，潤濕角逐漸減小。激光功率為273W時，鋪展面積最小，為91.73mm2，潤濕角最大，為70°。

選取激光功率為273W的金相試樣進行SEM及EDS分析，結果見圖7及表3。由表3可知，在釬料鋪展前沿存在少量灰色大塊狀富Al化合物，而在富Al化合物之間以及釬料鋪展前沿存在大量的灰白色小顆粒狀AlSi2相以及棒狀、針狀的AlSi和Si4Ti3相；在靠近母材的釬料熔滴中心位置主要存在白色富Si相以及灰白色的AlSi2相等，而釬料在潤濕鋪展過程中，在釬料熔滴中心位置界面處形成了金屬間化合物，呈現塊狀或小鋸齒狀，主要成分是AlSi2(Ti,Ni)相和AlSi(Ti,Ni)相，如圖7(b)中g點所示。

圖4　超聲振動時間為1.0s、激光功率470W時釬料潤濕界面微觀組織(Ra=0.03μm)(a)釬料鋪展前沿;(b)釬料熔滴中心Fig.4　Microstructures of wetting interface at ultrasonic vibrating time 1.0s,laser heating power 470W (Ra=0.03μm) (a)frontier of brazing filler metal spreading;(b)center of brazing filler metal spreading

圖5　超聲振動時間為2.5s、激光功率為470W時釬料潤濕界面微觀組織(Ra =0.03μm)(a)釬料鋪展前沿;(b)釬料熔滴中心Fig.5　Microstructures of wetting interface at ultrasonic vibrating time 2.5s ,laser heating power 470W (Ra=0.03μm)(a)frontier of brazing filler metal spreading;(b)center of brazing filler metal spreading

PointAlSiZnAgTiNiPhasea55.3940.611.651.080.180.65Al2Si,AlSib45.6352.010.930.500.370.31AlSic84.6713.330.910.420.210.25Al-richd31.6745.690.210.2321.230.49AlTi3,AlSi2e71.1821.130.920.321.270.98Al3Si(Zn,Ti)f63.4034.770.700.330.300.26Al2Si(Zn)g77.061.930.740.328.9110.71Al6(Ti,Ni)

表2　圖5中各點成分能譜分析結果(原子分數/%)

圖6　激光功率對Al基釬料潤濕鋪展面積和潤濕角的影響Fig.6　Effect of laser heating power on spreading area and wetting angle

圖7　激光功率為273W、超聲振動時間1.0s時，釬料潤濕界面微觀組織(表面粗糙度Ra=0.03μm) (a)釬料鋪展前沿;(b)釬料熔滴中心Fig.7　Microstructures of wetting joints at laser heating power 273W,ultrasonic vibrating time 1.0s (Ra=0.03μm) (a)frontier of brazing filler metal spreading;(b)center of brazing filler metal spreading

當激光熱輸入較低時，激光加熱時間較長，釬料表面會形成一層較厚的氧化膜，影響釬料對熱量的吸收，釬料內部存在部分未完全熔化、高熔點的富Si相，在加載超聲振動時，高熔點的富Si相以及部分釬料氧化膜會釬料流動前沿塞積、冷卻并凝固，阻礙釬料流動；而在界面處，由于Ti元素和Si元素之間的親和能力較大，Ti元素可以降低Si元素在液態釬料中的化學勢[14]，因此釬料中的Si元素向TiNi合金一側運動，在界面處發生了Si的偏析，同時母材中的Ti元素也向Al基釬料靠近界面一側擴散，由于Si元素向TiNi合金一側的擴散速度沒有Ti元素向Al基釬料中擴散的速率快，所以在界面處釬料內部形成了許多AlXSiYTiZ化合物。在釬料熔滴中心位置釬料距離激光照射的位置比較近，照射時間較長，溫度較高，界面反應比較劇烈，形成了塊狀或鋸齒狀的金屬間化合物并垂直于界面方向長大，而當金屬間化合物的寬度均低于10μm時，可以認為這些金屬間化合物對TiNi SMA激光釬焊接頭力學性能影響較小。

表3　圖7中各點成分能譜分析結果(原子分數/%)

3　結論

(1)實驗獲得了激光熱輸入和超聲振動耦合作用下，Al基釬料在不同表面粗糙度的TiNi SMA表面的潤濕鋪展工藝窗口。隨著激光功率的不斷增加，釬料受熱變軟下塌熔化的時間逐漸減少，釬料實現良好潤濕鋪展的工藝窗口也越來越窄。當TiNi SMA母材表面粗糙度為0.03μm，激光功率為470W時，可以在最短時間40s內實現Al基釬料的潤濕鋪展，并獲得最高的表面溫度，約為620℃。

(2)研究了工藝參數對低熔點Al-Si-Zn-Ag-Ti釬料在TiNi SMA表面鋪展潤濕性的影響規律。隨著激光功率的不斷增加，釬料的鋪展面積逐漸增加，潤濕角逐漸減少；隨著超聲振動時間的增加，釬料的鋪展面積先增大后減少，潤濕角先減小后增大。Al基釬料在TiNi SMA表面鋪展潤濕的最佳工藝參數為：超聲振動時間為1.0s，激光功率470W，TiNi SMA母材表面粗糙度為0.03μm，實驗獲得的最大鋪展面積平均值為106.45mm2，最小潤濕角約為16°。

(3)激光功率為470W、TiNi SMA母材表面粗糙度為0.03μm，超聲振動時間分別為1.0，2.5s時，釬料鋪展前沿的黑色物相均是Al2Si，Al3Si，AlSi相等；在靠近母材的釬料熔滴中心位置，隨著超聲振動時間的增加，釬料中灰白色、灰色的AlXSiY相及AlXSiYTiZ相的晶粒尺寸及其中Si元素的含量均逐漸增大變多，會阻礙釬料的流動，影響TiNi SMA釬焊接頭力學性能。

(4)超聲振動時間為1.0s、TiNi SMA母材表面粗糙度為0.03μm，激光功率為273W時，釬料鋪展前沿存在少量灰色大塊狀富Al化合物、大量的灰白色小顆粒狀AlSi2相等；隨著激光功率的降低，加熱時間的延長，而釬料在潤濕鋪展過程中，在釬料熔滴中心位置界面處形成了寬度小于10μm的金屬間化合物，呈現塊狀或小鋸齒狀，主要生成相是AlSi(Ti,Ni)相等，這些寬度較小的金屬間化合物對TiNi SMA激光釬焊接頭力學性能的影響比較小。

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Spreading and Wetting Behavior of Al-based Brazing Filler Metal on TiNi Shape Memory Alloy Substrate by Coupled Effect of Ultrasonic Vibration and Laser Heating

LI Hong,TAO Bo-hao,LI Zhuo-xin,GUO Fu

(College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Laser was used as heating source and laser brazing assisted with ultrasound was performed,aiming to wet Al-based brazing filler metal with low melting points on TiNi SMA substrates. The result shows that with the increase of ultrasonic time,the spreading areas increase firstly and then decrease. Black Al2Si,Al3Si,AlSi phases are observed at wetting frontier. The grain size of AlSi and AlSiTi phases in the center of the droplet near interfacial region, as well as the Si content contain in these grains increases with ultrasonic time. In addition,with the decrease of laser heating power,the spreading areas also decrease,whereas the wetting angle increases. Intermetallic compound AlSi(Ti,Ni) with a width less than 10μm grows in the center of the droplet near interfacial region. Under the following optimal processing parameters,ultrasonic vibration time 1.0s,laser heating power 470W and the substrate surface roughness 0.03μm,the maximum spreading areas obtained is 106.45mm2and the optimum wetting angle is 16°.

ultrasonic vibration; laser brazing; brazing filler metal; TiNi SMA; wetting

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.03.011

TG454

A

1001-4381(2016)03-0066-06

國家自然科學基金青年科學基金項目(50905003)

2014-01-12；

2015-11-30

李紅(1977-)，女，副教授,博士，主要從事釬焊及特種連接研究，聯系地址：北京市朝陽區平樂園100號北京工業大學材料科學與工程學院(100124)，E-mail：hongli@bjut.edu.cn