黃小明，雷 敏，李學(xué)文，李玉龍

(江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌330031)

對(duì)于選定體系的釬焊過(guò)程，影響因素有釬焊溫度、保溫時(shí)間、間隙、加載壓力、表面粗糙度及釬焊體系的氣氛環(huán)境等，其中，溫度和保溫時(shí)間為最主要的影響因素［1－3］.表面粗糙度作為非決定性因素，對(duì)釬焊過(guò)程界面元素的擴(kuò)散和釬料的潤(rùn)濕鋪張有著重要的影響;非光滑的、一定的表面粗糙度對(duì)熔融的釬料有著毛細(xì)作用，可能定向促進(jìn)或者抑制釬料潤(rùn)濕鋪展［4－7］.

TiAl合金作為一種輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度、剛性、抗氧化性和抗腐蝕性好的特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的、富有研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景的新型高溫結(jié)構(gòu)材料［8－9］.盡管已有較多的TiAl合金釬焊研究工作，然而有關(guān)表面粗糙度對(duì)其釬焊過(guò)程影響的研究較少.已有文獻(xiàn)表明，表面粗糙度對(duì)釬焊過(guò)程具有重要影響［10－11］.

本文采用AgCu共晶合金箔作為釬料對(duì)TiAl基板進(jìn)行真空釬焊，研究基板表面粗糙度與磨痕方向?qū)哂袕?qiáng)烈界面反應(yīng)的TiAl釬焊過(guò)程及隨后接頭性能的影響，重點(diǎn)研究粗糙度對(duì)釬料潤(rùn)濕鋪展過(guò)程、接頭界面組織及力學(xué)性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用基板母材為經(jīng)過(guò)熱鍛處理的TiAl合金棒材，TiAl合金成分為 Ti－46.5Al－2.5V －1.0Cr(原子分?jǐn)?shù))，將其加工成10 mm×5 mm×3 mm的剪切強(qiáng)度試樣和界面組織觀察試樣.實(shí)驗(yàn)所用釬料為Ag－28Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))共晶合金箔，厚度0.1 mm，熔點(diǎn)780℃.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在真空爐中進(jìn)行TiAl的釬焊過(guò)程，真空度為(1.3～3.0) ×10－3Pa.釬焊試樣的搭接結(jié)構(gòu)如圖1所示，搭接面積為5 mm×1 mm，釬焊過(guò)程中保持0.14 MPa的壓力，以防發(fā)生移動(dòng);將焊好的剪切強(qiáng)度試樣放入相應(yīng)夾具結(jié)構(gòu)中，測(cè)定焊接接頭的剪切強(qiáng)度.

圖1 剪切試樣與剪切過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic of shear test specimen and the setup

采用原子力顯微鏡(Agilent 5500 AFM/SPM)測(cè)定TiAl合金基板的表面粗糙度及其形貌.將釬焊接頭研磨拋光進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)金相制樣，采用光學(xué)顯微鏡(Neuphi－Olymps)、環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEI，Quanta 200F)和能譜分析(EDS，IE250X Max50)對(duì)焊接接頭的顯微組織進(jìn)行分析.

根據(jù)現(xiàn)有研究和前期參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，選擇真空釬焊溫度870 ℃，時(shí)間5 min［12－13］.實(shí)驗(yàn)分3 個(gè)階段進(jìn)行，第1階段研究表面粗糙度與磨痕方向?qū)︹F料潤(rùn)濕鋪展的影響.選用直徑1 mm、厚0.07 mm的AgCu圓形箔作為釬料，將釬料置于6 mm×6 mm×0.5 mm的TiAl基板表面;然后，將試樣放入真空爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，升溫到實(shí)驗(yàn)溫度，保溫、冷卻凝固得到釬料熔化熔敷外觀;使用潤(rùn)濕角測(cè)量?jī)x(LWAT/L－1)，觀察分析釬料潤(rùn)濕鋪展過(guò)程的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕角.其中，真空爐和潤(rùn)濕角測(cè)量?jī)x中的溫度經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，溫度相同，真空度相同.

第2階段評(píng)估表面粗糙度對(duì)釬焊接頭組織及力學(xué)性能的影響.根據(jù)第1階段結(jié)果可知，砂紙定向研磨的基板，釬焊時(shí)釬料潤(rùn)濕鋪展會(huì)沿磨痕方向優(yōu)先流動(dòng).由原子力顯微鏡所測(cè)結(jié)果可知，研磨方式(定向或雜亂無(wú)序)對(duì)表面粗糙度(Sa)的影響不大，并且為減小釬料優(yōu)先流動(dòng)可能帶來(lái)的釬料流失和焊后釬角不均等影響，選擇砂紙磨痕方向?yàn)殡s亂無(wú)序;分別采用360#、800#、1200#砂紙對(duì)基板試樣表面研磨處理和拋光處理，從而獲得不同表面粗糙度基板.實(shí)驗(yàn)前將所有處理后的試樣放入丙酮溶液中超聲波清洗20 min，然后將裝配好的試樣放入真空爐中進(jìn)行釬焊.在CTM2500微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上以0.5 mm/min的加載速率測(cè)定接頭的剪切強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)中1個(gè)參數(shù)至少測(cè)試5個(gè)樣品求平均值.

第3階段探究不同表面磨痕方向?qū)︹F焊接頭力學(xué)性能的影響，根據(jù)前述結(jié)果，選用800#砂紙對(duì)基板表面進(jìn)行不同的研磨處理:1)磨痕方向與釬焊接頭長(zhǎng)度方向平行，與接頭剪切性能測(cè)試的外力加載方向平行;2)磨痕方向與釬焊接頭長(zhǎng)度方向垂直，與接頭剪切性能測(cè)試的外力加載方向垂直;3)磨痕方向?yàn)殡s亂無(wú)序.

2 結(jié)果與討論

2.1 釬料潤(rùn)濕鋪展

2.1.1 基板表面研磨后的粗糙度

圖2展示了表面研磨處理后TiAl基板的表面三維形態(tài)，表面粗糙度如表1所示.其中，Sa為整個(gè)掃描區(qū)域的算術(shù)平均值，Sq為區(qū)域中的最高點(diǎn)，Sv為區(qū)域中最低點(diǎn)絕對(duì)值［14］.

從圖2可見(jiàn)，表面拋光(采用1 μm金剛石磨料拋光)基板的表面平整度要明顯優(yōu)于其他4組，且粗糙度(Sa=3 nm)遠(yuǎn)低于其他處理方式.砂紙定向磨削處理后的基板表面形貌具有方向性，Sa主要受砂紙粗細(xì)型號(hào)的影響，所用砂紙?jiān)酱?，基板表面所測(cè)Sa越大，砂紙研磨方式對(duì)Sa影響不大.表1中未列出的360#砂紙無(wú)序研磨基板粗糙度Sa=0.133 μm，1200#砂紙無(wú)序研磨基板粗糙度Sa=0.063 μm.

圖2 不同表面處理試樣表面形態(tài)Fig.2 Surface topography of the specimens with different surface treatments(a)Directional grinding by 360#grit paper;(b)Directional grinding by 800#grit paper;(c)Directional grinding by 1200#grit paper;(d)surfaces polishing;(e)disorderly grinding by 800#grit SiC paper

表1 不同表面處理試樣表面粗糙度值Table 1 Surface roughness of the specimens with different surface treatments

2.1.2 釬料潤(rùn)濕鋪展

如圖3所示，將直徑1 mm、厚0.07 mm的釬料圓片置于拋光處理后的TiAl基板表面，在潤(rùn)濕角測(cè)量?jī)x中觀察真空條件下AgCu在TiAl基板上的潤(rùn)濕鋪展，當(dāng)溫度達(dá)到750℃時(shí)開(kāi)始觀察并錄像.

如圖3所示，當(dāng)溫度達(dá)到772℃左右時(shí)，釬料開(kāi)始隨著溫度的升高逐漸收縮，因而可推知釬焊過(guò)程中釬料應(yīng)該有一個(gè)對(duì)應(yīng)的收縮，只是釬料在兩層TiAl基板中間，并且在加載壓力的作用下這種過(guò)程并不明顯.當(dāng)溫度達(dá)到819℃時(shí)，釬料開(kāi)始潤(rùn)濕鋪展.溫度持續(xù)升高，焊料持續(xù)鋪展，當(dāng)溫度達(dá)到870℃、保溫時(shí)間(t)達(dá)到53 s時(shí)，潤(rùn)濕鋪展過(guò)程基本完成.

圖4為真空爐中釬料在不同基板表面潤(rùn)濕鋪展結(jié)果，其中，圖4(a)為釬料在Sa=0.134 μm 的基板鋪展前形貌.為便于說(shuō)明與分析，將砂紙研磨磨痕方向定義為x方向，與基板表面研磨磨痕方向垂直的方向定義為y方向.從圖4(b)～(d)可見(jiàn)，AgCu釬料在定向研磨的基板表面潤(rùn)濕鋪展后呈現(xiàn)橢圓形，釬料在x方向優(yōu)先鋪展.

從圖2基板表面原子力照片可見(jiàn):定向研磨的基板表面在x方向有連續(xù)的通道結(jié)構(gòu)，且研磨砂紙?jiān)酱植?，基板表面粗糙?Sa)越大，通道溝槽越深，沿y方向擴(kuò)散的液態(tài)金屬釬料會(huì)受到表面溝槽的阻礙;與此同時(shí)，沿x方向鋪展的液態(tài)金屬可能會(huì)受到溝槽的毛細(xì)作用，導(dǎo)致釬料沿x方向優(yōu)先鋪展［5，7］.從圖 4(b) ～ (d)可見(jiàn):隨著Sa的增大，鋪展后的表面形貌沿x方向優(yōu)先鋪展越明顯;基板表面越粗糙，Sa越大，y方向所受阻力越大，釬料沿x方向鋪展得越多.當(dāng)基板表面拋光處理或采用砂紙無(wú)序研磨時(shí)，釬料鋪展后的形貌將為一個(gè)近似的圓，如圖4(e)、(f)所示.

圖3 AgCu釬料在拋光TiAl基板表面的鋪展Fig.3 The spreading of the AgCu filler material over the polished TC4 substrates

圖4 AgCu釬料在TiAl基板表面的鋪展Fig.4 The spreading of the AgCu filler material over the polished TC4 substrates:(a)morphology of solder before filler material spreading which is directionally with grit papers;(b)Sa=0.134 μm;(c)Sa=0.108 μm;(d)Sa=0.058 μm;(e)polished surfaces(Sa=0.003 μm);(f)substrate disorderly ground by grit paper(Sa=0.103 μm)

2.2 接頭界面組織

已有較多文獻(xiàn)研究了TiAl合金釬焊，對(duì)釬焊接頭組織進(jìn)行了詳細(xì)分析［8，13］.圖 5 為Sa=0.103 μm的基板釬焊后接頭界面組織形貌.表2列出了圖中各點(diǎn)的能譜EDS結(jié)果.

從圖5(a)可見(jiàn)，870℃/5 min條件下釬焊接頭成型良好，無(wú)氣孔和微裂紋等缺陷.根據(jù)能譜EDS結(jié)果結(jié)合已有文獻(xiàn)，釬焊接頭中主要的金屬間化合物為AlCu2Ti和AlCuTi，在AlCu2Ti與TiAl基體之間部分界面存在著鋸齒狀的Ti3Al［15］.

圖5 TiAl合金釬焊接頭的界面組織(a)和局部放大圖(b)Fig.5 Microstructure of TiAl brazed joint:(a)the whole joint;(b)magnification of interface

圖6為砂紙無(wú)序研磨時(shí)不同粗糙度TiAl基板釬焊后的接頭界面組織.從圖6可見(jiàn)，表面粗糙度對(duì)釬焊接頭中界面組織形貌形成影響不明顯.在具有強(qiáng)反應(yīng)的釬焊過(guò)程中，一定的釬焊溫度和保溫時(shí)間條件下，表面粗糙度的變化可能會(huì)影響釬料與母材的接觸面積，在反應(yīng)前期可能會(huì)影響母材與釬料間的溶解與擴(kuò)散.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)于釬焊過(guò)程具有強(qiáng)烈界面反應(yīng)的TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊，釬焊溫度與保溫時(shí)間是對(duì)釬焊過(guò)程、界面組織形成起主要和決定性的因素［2，15］，表面粗糙度對(duì)界面組織形成影響不明顯.定向研磨可能影響釬料潤(rùn)濕鋪展距離，對(duì)此加以利用對(duì)其他相似釬焊過(guò)程同樣具有參考意義.

圖6 不同粗糙度TiAl基板釬焊接頭界面組織形貌Fig.6 Microstructure of TiAl brazed joint of different surface roughnesses

2.3 接頭力學(xué)性能

圖7 (a)為砂紙無(wú)序研磨時(shí)不同粗糙度TiAl基板釬焊后接頭剪切力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果.可見(jiàn)，隨著表面粗糙度的減小，接頭剪切性能先上升后下降.使用Sa=0.103 μm的基板時(shí)，釬焊接頭平均剪切強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)為323 MPa，強(qiáng)度均方差值最小;而Sa=0.133 μm的基板，釬焊接頭平均剪切強(qiáng)度最低，強(qiáng)度為245 MPa，強(qiáng)度均方差值最大.

根據(jù)上述結(jié)果，選用800#砂紙對(duì)TiAl基板進(jìn)行不同研磨處理，基板釬焊接頭剪切強(qiáng)度結(jié)果如圖7(b)所示.

圖7 釬焊接頭剪切性能Fig.7 Shear strength of brazed joint(a)different surface roughness;(b)different grinding methods

從圖7(b)可見(jiàn)，相比其他2種研磨方式，磨痕方向與外力垂直的基板釬焊接頭平均剪切強(qiáng)度更優(yōu)，不同研磨方式基板釬焊接頭剪切強(qiáng)度結(jié)果相差不大.結(jié)合圖2釬料潤(rùn)濕鋪展結(jié)果可知，這可能是釬焊過(guò)程中，熔融釬料在定向研磨基板表面的優(yōu)先鋪展增強(qiáng)了釬料的潤(rùn)濕效果，從而減少微孔的產(chǎn)生［16］.在某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件釬焊生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)改變基板的研磨方式來(lái)控制焊料的流動(dòng)，從而使釬料能夠有效地潤(rùn)濕填充.

3 結(jié)論

1)表面粗糙度與磨痕方向?qū)gCu釬料在TiAl基板表面的潤(rùn)濕鋪展有較大影響;熔融AgCu釬料在定向研磨的TiAl基板表面鋪展時(shí)會(huì)沿著砂紙磨痕方向優(yōu)先潤(rùn)濕鋪展，且基板表面越粗糙，粗糙度值Sa越大，這種特征越明顯.

2)對(duì)于釬焊過(guò)程具有強(qiáng)烈界面反應(yīng)的TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊，表面粗糙度Sa對(duì)接頭組織形貌及反應(yīng)相的形成影響不明顯.

3)表面粗糙度對(duì)TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊接頭力學(xué)性能有一定的影響.相比于其他表面，采用Sa=0.103 μm的基板所焊焊接接頭剪切強(qiáng)度最優(yōu)，達(dá)到 323 MPa;而Sa=0.133 μm 的基板所焊接接頭剪切強(qiáng)度最低，強(qiáng)度為245 MPa，強(qiáng)度均方差值最大.