李洪梅,孫大千,王文權(quán),韓耀武,董 鵬

(吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院汽車材料教育部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130025)

采用純銅中間層的TiNi形狀記憶合金激光焊接

李洪梅,孫大千,王文權(quán),韓耀武,董 鵬

(吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院汽車材料教育部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130025)

采用純Cu中間層,對(duì) TiNi形狀記憶合金絲脈沖激光焊接進(jìn)行研究。利用光學(xué)顯微鏡,掃描電鏡,微區(qū)XRD等分析測(cè)試手段,研究了TiNi形狀記憶合金絲激光焊接頭的微觀組織特點(diǎn)。為研究接頭的力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng),對(duì)其進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明,焊縫區(qū)組織分布不均勻,不同形貌區(qū)域的成分差別較大,XRD分析焊縫區(qū)生成了B2,B19’,Ti3Ni4,Cu基固溶體及Cu與 Ti的金屬間化合物相CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti等。TiNi形狀記憶合金激光焊接頭抗拉強(qiáng)度為489～536MPa,斷口呈典型的韌-脆混合斷裂特征。形狀記憶恢復(fù)率達(dá)99%以上。

激光焊;TiNi形狀記憶合金;組織;力學(xué)性能

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,SMA)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料,它具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性。在已發(fā)現(xiàn)的具有形狀記憶效應(yīng)的合金中應(yīng)用最廣的是近等原子比的TiNi合金。它除了具有形狀回復(fù)率高的優(yōu)點(diǎn)外,還具有優(yōu)良的力學(xué)性能,抗腐蝕性和生物相容性等特點(diǎn),在航空航天,原子能,海洋開(kāi)發(fā),儀器儀表,家用電器以及醫(yī)療器械領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-4]。因此,TiNi形狀記憶合金的連接技術(shù)便成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸技術(shù)。

形狀記憶合金的連接除了要求沒(méi)有缺陷和具有一定的力學(xué)性能外,還必須保證連接后接頭的形狀記憶效應(yīng)和超彈性達(dá)到要求。因此,它比一般的金屬材料的焊接性更差,焊接質(zhì)量更難把握,連接方法亦受到限制。激光焊具有功率密度高,焊縫細(xì)窄,熱變形小及光束方向性好等特點(diǎn),特別適用于 TiNi形狀記憶合金小型器械的精密和微細(xì)焊接成型連接[5-7]。但是,TiNi合金直接對(duì)焊得到的接頭強(qiáng)度不高,多呈脆性斷裂特征,且很少有關(guān)形狀記憶效應(yīng)的研究[8-10]。因此,采用合適的中間層改善接頭的脆硬性,以獲得較高力學(xué)性能的接頭是必要的。Cu具有熔點(diǎn)低,屈服強(qiáng)度低,塑性好,變形能力強(qiáng),耐蝕性好等特點(diǎn),有利于激光焊接過(guò)程中降低接頭應(yīng)力,改善接頭性能。本工作采用純Cu作為中間層,對(duì) TiNi形狀記憶合金進(jìn)行了激光對(duì)接接頭的成分,組織與力學(xué)性能的研究,同時(shí)對(duì)接頭的形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行了研究,為改善 TiNi形狀記憶合金的連接質(zhì)量提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和必要的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為 Ti-49.8%(原子分?jǐn)?shù)/%,下同)Ni形狀記憶合金絲(TiNi SMA),TiNi SMA組織由B2相和少量B19’相組成,其組織形貌如圖1所示。尺寸規(guī)格為:0.48mm×0.64mm×30mm。采用厚度為40μm的純Cu作為中間層。采用J HM-1GY-300B型YA G激光焊接機(jī),在脈沖頻率 1HZ,光斑直徑φ0.5mm,單脈沖能量5.23J,脈沖寬度6ms條件下進(jìn)行雙面點(diǎn)焊。焊前將 TiNi SMA絲待焊端面分別用800,1200#砂紙磨平,用丙酮去除試件表面的油脂,然后用氫氟酸,硝酸混合溶液去除材料表面的氧化膜,清水沖洗后吹干,裝在自制的夾具上,在氬氣保護(hù)下施焊。激光焊示意圖如圖 2所示。采用 OL YMBUS OSL3000型激光共聚焦掃描顯微鏡(Confocal Laser Scan Microscopy,CLSM),EVO18型掃描電鏡(Sanning Electron Microscopy,SEM)研究接頭的微觀組織,成分分布及斷口形貌。采用D8 Discover with GADDS型微區(qū) X射線衍射儀(X-ray Diffraction,XRD)分析接頭的相組成。

采用MTS810型拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速率為0.2mm/min,重復(fù)5次;用MH-3型顯微硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭的顯微硬度,加載力為200g力,作用時(shí)間為5s。

TiNi SMA接頭的形狀記憶效應(yīng)采用國(guó)內(nèi)外常采用的彎曲變形方法測(cè)定,試驗(yàn)原理圖如圖3所示。將試樣放在自制的模具上均勻彎曲,卸載后即發(fā)生彈性回彈,測(cè)出試樣的彈性回彈角θe,然后將變形后的試樣放在100℃的沸水中直到試樣形狀不再發(fā)生改變,同時(shí)測(cè)量出回復(fù)角θm。變形恢復(fù)率η用下式計(jì)算:

圖3 彎曲試驗(yàn)宏觀示意圖Fig.3 Macro schematic diagram of bending test

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭組織

圖4為T(mén)iNi SMA激光焊對(duì)接接頭焊縫區(qū)形貌。由圖4可見(jiàn),接頭焊縫區(qū)組織分布不均勻,且呈現(xiàn)出多種不同形貌區(qū)。為了研究方便將焊縫不同形貌區(qū)域分為柱狀晶區(qū)A,灰色細(xì)針狀區(qū)B,白色針狀區(qū)C和黑色針狀區(qū)D。結(jié)晶形態(tài)主要決定于合金中的溶質(zhì)濃度,結(jié)晶速度和液相中溫度梯度的綜合作用。激光焊過(guò)程中各種力相互作用,熔池運(yùn)動(dòng)復(fù)雜;加之激光焊的加熱和冷卻速度相當(dāng)快,熔池持續(xù)時(shí)間非常短,溶質(zhì)元素沒(méi)有充分混合均勻的情況下就已經(jīng)凝固了,因此焊縫組織不再是連續(xù)的金屬間化合物層,取而代之的是形態(tài)各異的不規(guī)則組織。

圖4 接頭的微觀組織Fig.4 Microstructures of welded joint

進(jìn)一步將各區(qū)進(jìn)行能譜分析,圖5為用點(diǎn)分析法得到的能譜圖。能譜分析表明,A區(qū)中Cu,Ti,Ni含量分別為24.37%,37.30%,38.33%,根據(jù) Ti-Ni,Ti-Cu和Ni-Cu二元相圖推斷,A區(qū)可能形成B2+B19’+CuTi+Cu4Ti3+Cu3Ti2+Cu的混合相。B區(qū) Cu(14.06%)的含量較 A區(qū)少,Ti(41.60%),Ni(41.34%)的含量較高,推斷該區(qū)主要形成B2+B19’+CuTi2+CuTi的混合相。C區(qū)能譜分析中未檢測(cè)到Cu元素,Ti,Ni含量分別為48.13%,51.87%(Ni含量略高于母材),表明該區(qū)僅為母材的重新熔化凝固,激光焊的加熱冷卻速度極快,該區(qū)熔化的母材來(lái)不及充分混合便凝固,使該區(qū)成分與母材基本保持一致,由此推斷C區(qū)主要為B2+B19’+TiNi3形成的混合相。在D區(qū),Cu(74.46%)元素含量明顯增大,Ti(12.84%),Ni(12.70%)含量較少,推斷該區(qū)主要為Cu+Cu3Ti2+Cu4Ti的混合相。

圖5 圖4中A區(qū)(a),B區(qū)(b),C區(qū)(c),D區(qū)(d)的EDS分析結(jié)果Fig.5 EDS spectra of region(a),(b),(c),(d)in fig.4

為了進(jìn)一步確定激光焊接頭的相組成,對(duì)接頭進(jìn)行了XRD分析,圖6(a),(b)分別為焊縫區(qū)不同層面的XRD圖譜。分析顯示焊縫區(qū)主要由 B2,B19’,Ti3Ni4,Cu,CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti組成。分析結(jié)果中未檢測(cè)出 TiNi3相,取而代之的是非平衡亞穩(wěn)相 Ti3Ni4相,這主要是由于激光焊冷卻速度極快,使Ti3Ni4相來(lái)不及分解就被冷凍保存下來(lái)。Ti3Ni4相對(duì)改善接頭形狀記憶效應(yīng)具有一定的作用。同時(shí)分析結(jié)果中未檢測(cè)到CuTi2和Cu4Ti兩相,可能是由于這兩相在焊縫中相對(duì)含量比較少。而非平衡相Cu3Ti被檢測(cè)出,Cu3Ti被認(rèn)為具有形狀記憶,高強(qiáng)度和聲音吸收特性[12],對(duì)提高接頭的形狀記憶效應(yīng)及力學(xué)性能起到積極作用。焊縫中的固溶體Cu的形成有利于緩解接頭應(yīng)力,改善接頭力學(xué)性能。

圖6 接頭的X射線衍射譜圖Fig.6 XRD pattern of welded joint

2.2 接頭力學(xué)性能

焊接接頭組織的不均勻性情況可通過(guò)硬度分布很好地反映。圖7為T(mén)iNi SMA絲激光接頭的顯微硬度分布曲線。由圖7可見(jiàn),焊縫區(qū)的硬度值分布極不均勻且偏高,局部硬度值更高。這與焊縫區(qū)生成的CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2等金屬間化合物含量及晶粒大小有關(guān)。此外,分別對(duì)不同形貌區(qū)域A,B,C和D進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果顯示,灰色細(xì)針狀區(qū)B的硬度值最高達(dá)456HV,是由該區(qū)細(xì)晶強(qiáng)化和Cu與 Ti生成的金屬間化合物共同作用的結(jié)果;其次為柱狀晶區(qū) A達(dá)406HV,主要與生成的金屬間化合物有關(guān);白色針狀區(qū)266HV(與母材硬度值相當(dāng)),表明該區(qū)組織與母材組織基本相同;硬度值最低的為黑色針狀區(qū)D僅為228HV,主要與Cu的軟化作用有關(guān),該區(qū)主要以Cu基固溶體為主,而Cu本身硬度低,延展性好。熱影響區(qū)硬度值略低于母材,激光焊接過(guò)程中受熱輸入的影響,熱影響區(qū)部分晶粒較母材的略大,硬度值下降。硬度的不均勻性與上述組織的不均勻性是一致的。

圖7 接頭顯微硬度分布Fig.7 Micro-hardness distribution curves of welded joint

圖8為 TiNi激光焊接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。TiNi SMA絲接頭的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程分為三個(gè)階段:Ⅰ彈性變形階段;Ⅱ屈服階段;Ⅲ塑性變形階段。其中彈性變形階段的延伸率約為1%。特別值得注意的是,屈服階段的延伸率高達(dá)到6.8%,約占應(yīng)變總量的60%,這是由于焊后試樣在拉伸過(guò)程中經(jīng)歷了兩側(cè)母材的屈服疊加,從而使屈服階段的延伸率提高。在隨后的塑性變形階段,應(yīng)力應(yīng)變同時(shí)增加,最終斷裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示TiNi SMA激光焊接頭的抗拉強(qiáng)度為489～536MPa,其斷口具有典型的韌-脆混合型斷口特征,如圖9所示。雖然接頭強(qiáng)度僅達(dá)到母材強(qiáng)度的50%左右,但這一結(jié)果明顯高于文獻(xiàn)[8]中作者采用直接對(duì)接焊接接頭的力學(xué)性能。表明盡管添加中間層Cu在焊接過(guò)程中產(chǎn)生了一些金屬間化合物,對(duì)接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定影響,但總體上對(duì)提高 TiNi SMA激光焊接頭的力學(xué)性能是較為有利的。

在形狀記憶效應(yīng)測(cè)試中,母材的形狀恢復(fù)率為99.6%,激光焊接頭的變形恢復(fù)率高達(dá)99%以上,幾乎與母材相當(dāng)。這一結(jié)構(gòu)高于文獻(xiàn)[12]中采用電阻點(diǎn)焊獲得的變形恢復(fù)率。這可能與焊縫中形成的Ti3Ni4相有關(guān)。激光焊冷卻速度快有利于獲得非平衡凝固亞穩(wěn)相 Ti3Ni4,而 Ti3Ni4是與基體 TiNi合金保持共格關(guān)系的化合物相,Ti3Ni4相的析出不僅可以提高形狀記憶合金的恢復(fù)率,同時(shí)也是 TiNi合金產(chǎn)生雙程和全程形狀記憶效應(yīng)的主要因素[13]。

圖8 接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of welded joint

圖9 接頭斷口形貌Fig.9 Fracture surface morphologies of welded joint

3 結(jié)論

(1)采用Cu中間層激光焊接可實(shí)現(xiàn) TiNi形狀記憶合金絲的精密連接。激光焊接頭組織和成分分布不均勻,可以見(jiàn)到組織差異明顯的四個(gè)區(qū)域,即柱狀晶區(qū),灰色細(xì)針狀區(qū),白色針狀區(qū)和黑色針狀區(qū)。

(2)焊縫區(qū)形成了固溶體Cu和Cu與 Ti的金屬間化合物CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti以及對(duì) TiNi形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)效果起到重要作用的Ti3Ni4。

(3)焊縫區(qū)硬度值較高,且分布不均勻。接頭抗拉強(qiáng)度為489-536MPa,斷口為典型的韌-脆混合型斷口,形狀回復(fù)率達(dá)99%以上,幾乎與母材相當(dāng)。

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Laser Welding of TiNi Shape Memory Alloy Using Pure Cu as Interlayer

LI Hong-mei,SUN Da-qian,WANG Wen-quan,HAN Yao-wu,DONG Peng
(Key Laboratory of Automobile Materials(Ministry of Education),School of Materials Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130025,China)

YAGlaser welding was used to join TiNi shape memory alloy thin wires with pure Cu as interlayer.The microstructural charactertics were investigated by means of optical microscopy,scanning electronic microscopy and micro-XRD et al.The tensile and bending tests were carried out to examine the mechanical properties and shape memory effect of the joint.Experimental results show that the joint has the heterogeneous microstructure and element distribution.B2,B19’,Ti3Ni4,Cu solid solution and the intermetallic compounds,such as CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti2,Cu3Ti were detected in fusion zone by XRD test.The laser-welded joint exhibits the ultimate strength of 489-536 MPa with ductile-brittle mixed fracture mode,and the shape recovery ratio reaches to 99%.

laser welding;TiNi shape memory alloy;microstructure;mechanical property

TG456.7

A

1001-4381(2010)10-0009-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975112)

2010-06-20;

2010-07-10

李洪梅(1982—),女,博士研究生,主要從事先進(jìn)材料連接的研究工作,聯(lián)系地址:吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(130025),E-mail:lihm08@mails.jlu.edu.cn