緩解Ti(C,N)基金屬陶瓷/鋼釬焊殘余應力的研究現狀

萬維財，羅 偉，王 杰，王宗元

（1.西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2.成都四威高科技產業園有限公司，四川 成都 611731）

Ti(C,N)基金屬陶瓷是以Ti(C,N) (或者TiN和TiC)為基礎Ni/Co 金屬為粘結相，并且可以添加碳化物（Mo2C、WC、TaC、NbC、Cr3C2、VC 等）作為添加劑的新型金屬陶瓷材料[1]。與傳統的WC 基硬質合金相比，Ti(C,N)基金屬陶瓷具有高硬度與紅硬性、低比重、高耐磨耐蝕性等優異性能，以及明顯的資源儲量優勢（全球Ti 儲量是W 的近70 倍），因而Ti(C,N)基金屬陶瓷被視為WC 基硬質合金在刀具、模具、耐磨耐蝕零件等領域的理想替代材料之一。

由于金屬陶瓷的強韌性和加工性能欠佳，將其與韌性較高、可承受較大沖擊載荷的鋼等金屬材料連接則可發揮各自的優勢，滿足惡劣工況對高硬度、高耐磨耐蝕性和強韌性等優異綜合性能的要求，并且有利于制造形狀復雜的零件[2-3]；將金屬陶瓷與鋼連接還可以節約和有效利用Ti、Ni、Mo 等高價值的有色金屬資源，減少對這些昂貴資源的浪費。如果實現Ti(C,N)基金屬陶瓷與鋼等金屬材料的有效焊接，并獲得結合牢固的焊接接頭，就可以充分發揮Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能優勢，擴大其在機械加工、模具、礦山機械等行業的應用范圍和市場占有率。因此，實現Ti(C,N)基金屬陶瓷與鋼等金屬材料的有效連接對擴大Ti(C,N)基金屬陶瓷的應用領域和范圍具有重要理論意義和實用價值。

1 金屬陶瓷/鋼焊接的主要問題

在金屬陶瓷與鋼連接方法中，釬焊具有工藝簡單、焊接效率高，加熱溫度低、對母材影響較小等優點，是應用非常普遍的焊接方法[4-5]。潤濕性和接頭殘余應力是（金屬）陶瓷/金屬異種材料連接過程中面臨的主要問題。在金屬陶瓷的復合材料中，由于材料基體除陶瓷相外還含有一定體積的金屬相，因而潤濕性問題在一定程度上得以改善[6]。然而，金屬陶瓷的熱膨脹系數、彈性模量、屈服極限、泊松比等物理力學性能與金屬材料和釬料存在較大差異，焊接接頭界面處易產生殘余應力[7]。高應力梯度對焊接接頭的可靠性十分不利，將會導致接頭強度被大幅度降低，造成接頭在低應力服役工況下甚至焊接過程中出現裂紋，使工件失效破壞。因此，分析接頭殘余應力狀態，尋找緩解界面應力的途徑，是金屬陶瓷/金屬釬焊研究領域需要解決的重要問題。

2 金屬陶瓷/鋼釬焊殘余應力狀態與分布規律

目前，國內外很多學者采用X 射線衍射和有限元分析的方法對（金屬）陶瓷/金屬焊接接頭的殘余應力狀態和分布規律進行了研究，并且取得了一定的成果。陳紅等[8]采用X 射線衍射的方法分析了Si3N4/4Cr10Si2Mo 釬焊接頭的應力情況，發現距焊縫0.25 mm 的Si3N4陶瓷基體處存在434～527 MPa 的最大拉應力。雷永平等[9]也得出了相似的結論，發現Si3N4/40Cr 釬焊接頭的陶瓷側靠近界面處存在最大軸向拉應力。Kar 等[10]的研究表明，Al2O3陶瓷與不銹鋼釬焊接頭近不銹鋼基體側為殘余壓應力，而近陶瓷基體側為殘余拉應力。張麗霞等[11]的有限元數值模擬表明，采用Ni 基和Ag 基釬料的TiC 陶瓷/鑄鐵焊縫處剪應力最大值均出現在釬料/TiC 陶瓷界面。吳銘方等[12]采用有限元法模擬發現，Ti(C,N)金屬陶瓷/40Cr 釬焊接頭的金屬陶瓷近釬縫的微區內產生峰值為268 MPa的殘余拉應力。Laik 等[13]的有限元分析表明，Al2O3陶瓷/Inconel 600 釬焊時Al2O3陶瓷近焊縫表層區域出現約310 MPa 的殘余拉應力峰值。李樹杰等[14]采用彈性有限元計算發現SiC 陶瓷/Ni 基高溫合金接頭的陶瓷近縫區存在3300 MPa 的最大軸向拉應力。Shen 等[15]對Al2O3-TiC/W18Cr4V 連接界面的有限元分析也表明最大殘余拉應力出現在陶瓷/中間層界面近陶瓷側，如圖1 所示。

圖1 Al2O3-TiC/Ti-Cu-Ti/W18Cr4V 擴散接頭殘余應力的有限分析

可以看出，對于線膨脹系數、屈服極限、彈性模量等物性參數相差較大的陶瓷與金屬的異種材料焊接，其接頭的殘余應力狀態和分布規律為拉應力存在于線膨脹系數小、屈服極限高、彈性模量大的陶瓷基體一側，并且殘余拉應力最大值容易達到脆性陶瓷材料的強度極限。因此，接頭近焊縫的陶瓷側是緩解陶瓷/金屬焊接殘余應力的關鍵區域。

3 金屬陶瓷/鋼釬焊殘余應力緩解途徑

為緩解焊接接頭殘余應力，除對焊接溫度、升溫速度、保溫時間、冷卻速度等工藝參數進行優化外，國內外許多學者針對釬料進行了較為深入的研究，提出了采用添加中間層、復合釬料、梯度釬料等方式優化釬料，以達到緩解殘余應力，改善焊接質量和接頭力學性能的目的。

3.1 添加中間層

中間層是為了緩解殘余應力而加入到釬料中的不完全熔化的過渡層。吳銘方等[16]在真空釬焊Ti(C,N)基金屬陶瓷/40Cr 鋼時向Ag-Cu 和Ti-Cu-Ni 釬料中添加Cu、Nb、Mo 箔作應力緩沖層，發現Cu 中間層降低接頭殘余應力效果最好，而Mo 中間層可以將出現最大拉應力的位置從金屬陶瓷基體轉移到中間層中。Yang 等[17]采用Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti 釬料釬焊SiO2-BN 陶瓷/Invar 合金，發現Cu中間層所形成的固溶體組織可有效緩解殘余應力，進而大幅改善接頭強度，如圖2 所示。CejaCárdenas等[18]采用含Nb 中間層的Cu-Zn/Nb/Cu-Zn 三明治釬料釬焊Si3N4/AISI 304 鋼時發現可以顯著降低接頭的殘余應力。通常軟質中間層（Cu、Al、Ni 等）的熱膨脹系數高，但彈性模量小，屈服點低、塑性好，可以通過自身的屈服、塑性變形和蠕變緩解殘余應力；硬質中間層（W、Mo 等）的彈性模量大，但熱膨脹系數小可降低熱膨脹系數的差異，并且將殘余應力集中區域從金屬陶瓷近焊縫側轉移到中間層，有效抑止初始裂紋在金屬陶瓷中的萌生[14]。Qin 等[19]研究了在TiZrNiCu 釬料中添加Cu/Mo 復合中間層真空釬焊C/C 復合材料與TC4 合金中，結果表明殘余應力得到明顯緩解，接頭抗剪強度提高三倍。另外，Park 等[20]采用不同層數的中間層對Si3N4陶瓷和鎳合金進行釬焊，發現三層復合中間層降低接頭熱應力的效果最好且接頭強度最高。因此，可以看出采用軟/硬復層中間層可兼顧各自的優點，但層數過多會導致工藝復雜甚至因界面增多而影響接頭整體性能。

圖2 Cu 中間層厚度對SiO2-BN 陶瓷/Invar 合金釬焊接頭強度的影響

3.2 復合釬料

基于金屬基復合材料的思想，在較軟的基礎釬料中加入（或原位反應生成）顆粒、纖維、晶須等硬質相增強體，利用基礎釬料良好的塑韌性以及增強體的高溫強度和低熱膨脹系數，并改變二者的比例調節母材的物理力學性能失配，可有效緩解殘余應力。Song 等[21]在Ag-Cu-Ti 釬料添加Si3N4p 用于釬焊Si3N4陶瓷/TiAl 合金，結果表明接頭中形成的Ti5Si3p 與TiNp 組織降低了Si3N4與TiAl 之間的熱膨脹系數和彈性模量的不匹配程度（圖3 所示），顯著減小了接頭的殘余應力，如圖4 所示。Blugan 等[22]采用添加SiC 的ABA 活性金屬釬料釬焊Si3N4陶瓷/14NiCr14 鋼，發現接頭的殘余應力得到有效松弛，抗彎強度顯著提高。Halbig 等[23]在Ag-Cu-Ti 釬料中加入SiC 用于連接CVD SiC，釬料中含有43vol%SiC 時其熱膨脹系數可降低45～60%，接頭殘余應力降低，強度得到改善。李雅范等[24]發現Al2O3顆粒增強復合釬料對Al2O3/Al2O3釬焊接頭殘余應力的緩解作用隨顆粒含量而增加。Cui 等[25]采用(Ti-Zr-Cu-Ni)+W 復合釬料釬焊Cf/SiC 復合材料與TC4 合金，發現復合釬料中反應生成的TiC、Ti3SiC2、Ti5Si3等可有效緩解接頭的殘余應力。He 等[26]和Wang 等[27]采用(Ag-Cu-Ti)+Mo、(Ag-Cu-Ti)+TiN 復合釬料對Si3N4陶瓷/42CrMo 鋼釬焊進行了研究，結果也表明適當地增強相添加量均能起到降低釬料熱膨脹系數，緩解接頭殘余應力和提高接頭強度的作用。Yang 等[28]和Yang 等[29]采用(Cu-Ti)+Ti2B、(Ag-Cu-Ti)+B+TiH2和(Ag-Cu-Ti)+B 等復合釬料釬焊Al2O3陶瓷與Ti-6Al-4V/TC4 合金，利用釬焊過程中原位形成的TiB晶須在接頭界面形成延性—剛性—延性結構，接頭殘余應力降低，抗剪強度提高。

圖3 Ag-Cu-Ti 釬料中Si3N4p 含量對Si3N4 陶瓷/TiAl 合金接頭熱膨脹系數（CET）和楊氏模量的影響

圖4 Ag-Cu-Ti 釬料中Si3N4p 含量對Si3N4 陶瓷/TiAl 合金接頭剪切強度的影響

3.3 梯度釬料

采用梯度釬料緩解殘余應力是基于功能梯度材料的思想，其實質是復合釬料在母材之間的梯度化。通過成分、組織及彈性模量和熱膨脹系數的梯度變化進一步減小母材特性失配引起的殘余應力。Ravichardran 等[30]采用Al2O3陶瓷和金屬Ni作為功能梯度釬料體系的組元，當功能梯度材料的成分在陶瓷與金屬母材之間按線性變化時，接頭中殘余熱應力最小。Li 等[31]采用反應熱壓法得到了YSZ/FGM/NiCr 接頭（如圖5 所示），在1000 ℃時該焊接接頭仍具有良好的熱穩定性。潘峰[32]研究了梯度層數和組織成分對接頭熱應力的影響，采用Ag-Cu-Ti+Mo 梯度釬料釬焊連接Si3N4陶瓷/42CrMo 鋼，結論表明釬焊接頭中軸向殘余熱應力隨梯度層層數增加而減小。Pietrzak 等[33]采用Al2O3與Cr 為組元的功能梯度釬料連接Al2O3和鋼，發現用三層Al2O3-Cr 梯度釬料可以減小接頭中50%的殘余應力。

圖5 YSZ-FGM-NiCr 焊接接頭的光學顯微組織

從焊接接頭殘余應力解析式（公式1）可以看出，接頭殘余應力隨溫度差、熱膨脹系數差異和彈性模量的降低而減小，其中σ、α、E、ΔT分別是殘余應力、熱膨脹系數、彈性模量和溫差，m 和c 代表金屬與（金屬）陶瓷[34]。

除通過加熱和冷卻工藝優化減小接頭各部分的溫差之外，目前采用中間層、復合釬料、梯度釬料是緩解金屬陶瓷/金屬接頭殘余應力的主要途徑，以上三種方法都是力圖降低界面兩側基體材料的熱膨脹系數差異和彈性模量。向釬料層中添加硬質中間層，利用其低熱膨脹系數來緩解金屬陶瓷與金屬之間的差異，但硬質中間層的彈性模量一般較大；而添加軟質中間層，利用其低彈性模量和良好塑性變形能力來緩解殘余應力，但軟質中間層的熱膨脹系數一般與金屬陶瓷相差較大。采用復層中間層、復合釬料和梯度釬料等方式可有效降低金屬陶瓷/金屬界面的熱膨脹系數和彈性模量不匹配程度。但是，為提高界面連續程度，使用復層中間層或梯度釬料的層數增多，工藝復雜性增加。另外，復合釬料中增強相和梯度釬料中陶瓷相的分布控制問題必須加以考慮，而且增強相或陶瓷相的引入在降低釬料熱膨脹系數的同時也會增加其彈性模量。因此，采用中間層（復合中間層）、復合釬料、梯度釬料在有效緩解接頭殘余應力的同時，也都存在一定的局限性。

綜上所述，采用中間層、復合釬料、梯度釬料都是通過調整釬料以提高接頭在化學成分、微觀組織方面的連續性，降低界面不匹配程度，以避免界面物理力學性能的突變。這些研究思路主要圍繞界面的釬料側進行，而針對金屬陶瓷基體的應力調控機制研究很少，因此有必要將研究重點從釬料擴展到金屬陶瓷。通過對金屬陶瓷顯微組織調控與表面改性來緩解金屬陶瓷/釬料界面殘余應力是一種重要的思路。

4 結束語

Ti(C,N)基金屬陶瓷具有低密度、高硬度、高耐磨耐蝕性等優異的性能，能夠節約戰略資源，是一種具有很大發展潛力的硬質材料。金屬陶瓷與韌性較高、可承受較大沖擊載荷的鋼等金屬材料連接則可發揮各自的優勢，滿足惡劣工況對高硬度、高耐磨耐蝕性和強韌性等優異綜合性能的要求。綜合國內外的研究成果，本文認為近焊縫處的金屬陶瓷側是緩解殘余應力的關鍵區域，應將應力緩解的研究重點從目前的釬料擴展到金屬陶瓷表面，通過對金屬陶瓷顯微組織調控與表面改性來緩解金屬陶瓷/釬料界面殘余應力。Ti(C,N)基金屬陶瓷/鋼接頭殘余應力的緩解可以提高金屬陶瓷工件的服役可靠性，擴大金屬陶瓷材料的工程應用范圍，具有重要的工程意義。我國（四川攀西地區）擁有豐富的Ti 資源，發展Ti(C,N)基金屬陶瓷具有重要的戰略意義。