泡沫Ni復合中間層釬焊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 先進焊接技術省級重點實驗室，鎮江 212100)

W-Cu復合材料兼具鎢和銅的屬性，常表現出優異的抗放電性能，具有高耐熱性、高電導率以及耐電弧腐蝕性能、耐摩擦等性能[1-3].常用于高壓開關電器、微電子、高性能電極材料以及軍事、航空航天領域[4-5].但在實際使用過程中，鎢銅合金常出現抗高溫氧化性差、低溫韌性不足等問題[6].因此工業上可將鎢銅合金與廣泛使用的1Cr18Ni9不銹鋼連接制成復合件，用于較為復雜的工況環境.由于W-Cu復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力集中現象，大大降低了界面連接強度.

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行異種材料的釬焊連接[7-10]，以降低殘余應力，減少脆性金屬間化合物的形成.但有關泡沫中間層用于W-Cu與1Cr18Ni9不銹鋼釬焊后組織與性能的研究仍較少.因此，為了進一步提高W-Cu與1Cr18Ni9不銹鋼釬焊的結合強度，文中在參考前人研究[11-15]的基礎上采用多孔泡沫Ni中間層復合AgCuTi釬料對W-Cu與1Cr18Ni9鋼進行釬焊連接，并對其不銹鋼接頭的組織及微觀斷口形貌進行分析.

1 試驗

1.1 試驗材料與試樣形式

本試驗用常見的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公司生產的AgCuTi焊膏，Ag66Cu28Ti8(質量分數，%).

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AgCuTi焊膏對母材潤濕性的差異，將不銹鋼母材放在下方.實驗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

本試驗采用真空釬焊的方法進行連接，主要有以下步驟.

(1)工件表面處理.試驗前先將母材表面進行打磨，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.將事先準備好的復合釬料置于兩母材之間，并按照圖1裝配完成后平穩置于真空釬焊爐中.

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

圖2 釬焊工藝參數

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)的混合溶液進行腐蝕.通過ZEISS Merlin Compact場發射掃描電鏡(SEM)觀察釬縫微觀形貌，運用能量色散光譜(EDS)對特定區域進行點掃描，測定各特征區域的元素組成及含量；此外，試驗中接頭彎曲斷口形貌及特征都通過SEM與EDS等技術手段進行分析.

2 試驗結果與分析

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構促進了釬料熔化過程中元素內部的擴散性.因此，釬焊接頭的組織結構相較于本課題組[15]僅使用單一AgCuTi釬料釬焊時有更加明顯的均勻性，不再呈現釬縫近母材兩側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構，增強了釬縫的承載強度，因而釬縫成型光滑不會出現塌陷等問題.

圖3 添加泡沫鎳復合釬料釬焊接頭顯微組織

圖3(a)中區域I為釬縫近不銹鋼側界面反應區，區域II為釬縫近W-Cu合金側界面反應區，區域III為釬縫中心.將區域III放大如圖3(b)，可以看出釬縫中心主要有3種相組成：分布相對規則且數量較多的深灰色團塊狀相、不規則的灰色相以及數量較多的灰白色相.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發生了冶金反應，形成了圖3(b)中的深灰色團塊狀相，并且作為增強相增強了釬縫的強度.為了更清楚分析釬縫各區的組織特點，將I區和II區進行放大，如圖4.

圖4 釬焊接頭特征區顯微組織

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

為了進一確定釬焊接頭組織特征與元素分布，在圖4(a)中選取4個特征區域，在圖4(b)中選取3個特征區域進行能譜分析，結果見表1.

表1 泡沫鎳復合釬料釬焊接頭特征區域元素組成(質量分數，%)

特征區A的相為釬縫中數量最多且分布均勻的深灰色團塊相，主要元素為Cu(51.32%)，Ni(24.51%)，Ti(22.85%)，與特征區A相似的相E區域元素構成為Ni(38.34%)，Cu(33.16%)，Ti(28.50%).推測元素分布的原因為釬料在泡沫鎳中的均勻擴散所致.特征區B為釬縫中存在的不規則的灰色相，由大量的Cu元素構成，明顯為富Cu固溶體組織；特征區C與特征區D為靠近不銹鋼側的大量深灰色團塊相，EDS分析結果表明特征區C的主要元素為Cu(47.05%)、Ti(35.25%)、Fe(14.24%)、Ni(3.46%)，推測該區域主要含有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的結合能力，依據Ti-Cu二元合金相圖[16]和熱力學手冊[17]，Ti和Cu元素可通過下式反應生成Ti2Cu金屬間化合物：

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

(1)

(2)

特征區D主要元素組成為Fe(35.46%)，Ti(42.78%)，依據Ti-Fe二元合金相圖[16]和熱力學手冊[17]，Ti元素與Fe元素可生成Fe-Ti化合物；特征區F是釬縫中心的灰白色相，主要元素為Ag、Cu質量分數分別為90.38%和7.62%，明顯為釬料擴散過程中形成的富Ag固溶體組織；特征區G位于釬縫近W-Cu合金側，其元素組成較為復雜.依據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可發生冶金反應形成(Ti，W)固溶相[17]，有利于增強釬縫與W-Cu側的結合力.由上述分析可以推斷，Ni在釬焊過程中參與反應以深灰色團塊狀均勻分布，Ti元素在釬縫與兩側母材結合處均發生了冶金反應.

2.2 硬度測試

為進一步分析釬焊界面微觀組織對接頭性能的影響，使用維氏硬度計測試了界面的顯微硬度分布，如圖5.參數為：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，接近于兩側母材基體，呈“V”型分布特征.

釬縫區硬度過渡平緩、硬度值較高，與釬縫區形成數量較多且分布均勻的富(Cu、Ag、Ti)固溶體增強相這一特征相符合.由于較多固溶體增強相的存在強化了釬縫區的強度和塑韌性.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度.

2.3 四點彎曲試驗

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層組成.該區域組織性能較為復雜，在復雜的工況環境釬焊接頭界面可能會發生損傷與斷裂.因此，研究釬焊接頭的界面斷裂行為具有重要意義.采用四點彎曲試驗較為簡單，能夠確保試驗過程中裂紋沿界面區擴展，且試件不會突然失穩[18].根據本課題釬焊試件的特點，設計了如圖6的四點彎曲試驗夾具，此夾具為標準的30 mm測試夾具.試驗儀器采用CMT5205電子萬能試驗機，壓頭位移速度為1 mm/min.相同工藝參數的釬焊接頭準備3個試樣，測定試樣所能承受的平均彎曲載荷.釬焊接頭彎曲試驗后的試樣如圖7.其中圖7(a)為四點彎曲試驗前的試樣，圖7(b)為四點彎曲試驗后的試樣.

圖6 四點彎曲測試結構

圖7 釬焊接頭的四點彎曲試樣

彎曲試驗結果取3個試樣的平均值，彎曲強度按式(3)進行計算.彎曲結果見表2.

表2 彎曲試驗結果

σ=3Fa/bh2

(3)

式中：σ為四點彎曲強度，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.

在四點彎曲加載過程中，釬焊接頭出現了屈服臺階，說明釬焊接頭釋放出了一定的塑性變形，并且彎曲強度達到了614 MPa.

結合2.2釬焊接頭界面區硬度分布可知，由于泡沫鎳的加入，釬縫區硬度呈平緩過渡的“V”型分布，硬度更接近于兩側母材.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“硬夾軟”的特殊結構，有更為良好的力學性能表現.因此，力學性能相較于僅使用AgCuTi釬料時的四點彎曲強度576 MPa有較大的提升.

2.4 微觀斷口形貌

圖8為四點彎曲試驗后的試樣釬焊接頭斷口形貌，并對微觀斷口不同的特征區進行能譜分析.

圖8 釬焊接頭的斷口形貌及特征區

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)的截面為不銹鋼側界面斷裂特征，可發現明顯的臺階解理面、河流花樣，以及較少撕裂脊.因此，不銹鋼側脆性斷裂占據主導地位.圖8(c)W-Cu側斷口特征，有較明顯的撕裂脊即韌窩存在，說明在鎢銅側產生韌脆混合斷裂，其中韌性斷裂占主導地位.

為了進一步分析斷裂機理，對斷口界面特征區進行EDS成分分析，結果見表3.特征區1、5主要元素為Fe、Ti，特征區2主要元素為Cu、Ti，說明在不銹鋼側界面斷裂處出現了脆性化合物Fe2Ti與Cr2Ti.特征區3、8和6均位于韌窩內部，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，當應力不斷加大，接合面開始發生位錯、滑移，微觀晶粒開始發生局部應變和變形，產生顯微空洞直至長大形成韌窩.因此，脆性斷裂主要發生在釬縫近不銹鋼側的金屬間化合物聚集處，韌性斷裂主要發生在釬縫近鎢銅側的固溶體組織處.

表3 釬焊接頭斷口特征點元素組成(質量分數，%)

3 結論

(1)多孔結構Ni泡沫中間層的添加可以實現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，近不銹鋼擴散層處生成了少量Cu2Ti與Fe2Ti化合物.

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

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