（西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，陜西西安710100）

0 前言

銀具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和塑性，常作為防碰磨材料用于液體火箭發(fā)動機(jī)的液氧環(huán)境中，但因其強(qiáng)度低，無法單獨(dú)用于工況要求較高的承載結(jié)構(gòu)件。馬氏體高強(qiáng)不銹鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，尤其是低溫韌性、抗拉強(qiáng)度、焊接性能和機(jī)械加工性能均良好，常用于液體火箭發(fā)動機(jī)重要承載結(jié)構(gòu)件[1]。馬氏體高強(qiáng)不銹鋼與銀的復(fù)合結(jié)構(gòu)兼具高強(qiáng)度和防碰磨功能，可用于液氧環(huán)境中。目前，涉及銀與不銹鋼異種材料的連接方法有氬弧焊堆焊、爆炸焊等[2-3]，氬弧焊堆銀工藝生產(chǎn)效率低，銀層內(nèi)部缺陷多，且銀與不銹鋼基體間的結(jié)合力差；爆炸焊接過程中由于炸藥產(chǎn)生的高溫、高壓作用會對銀金屬造成一定的損傷，產(chǎn)品變形大，銀表面常出現(xiàn)局部燒蝕，此外，爆炸焊對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求高。

釬焊是一種借助中間層材料產(chǎn)生的液相與母材之間冶金反應(yīng)，在加壓（或不加壓）條件下通過原子相互擴(kuò)散的共同作用來實(shí)現(xiàn)連接的工藝方法，對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或需大面積焊接的結(jié)構(gòu)件具有獨(dú)特優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[4-6]，但目前尚未有關(guān)于采用釬焊來實(shí)現(xiàn)銀與馬氏體高強(qiáng)不銹鋼連接的報道。本研究在銀與高強(qiáng)不銹鋼之間添加Cu中間層，通過Ag-Cu在釬焊條件下發(fā)生接觸反應(yīng)生產(chǎn)液相，來實(shí)現(xiàn)銀與高強(qiáng)不銹鋼的連接。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用厚度3mm的07Cr16Ni6鋼與尺寸為10mm×10mm×10 mm的銀塊開展釬焊試驗(yàn)，07Cr16Ni6鋼化學(xué)成分如表1所示，銀塊雜質(zhì)含量≤1%。使用金相砂紙對07Cr16Ni6鋼及銀塊待釬焊部位進(jìn)行拋光，去除試板表面機(jī)械加工產(chǎn)生的橫紋和毛刺，并在07Cr16Ni6鋼表面電鍍不同厚度的Cu中間層，其厚度如表2所示。對銀塊進(jìn)行酸洗，去除表面的氧化物及油污。

表1 07Cr16Ni6鋼化學(xué)成分Table 1 07Cr16Ni6 steel composition %

表2 Cu中間層厚度Table 2 Cu interlayer thickness

Cu中間層鍍覆后，將銀塊及07Cr16Ni6鋼試板裝配在一起，如圖1所示，為了保證銀塊與高強(qiáng)不銹鋼板充分接觸，采用工裝夾緊。將裝配好的試驗(yàn)件放入真空釬焊爐中，對爐膛抽真空，待爐膛真空度達(dá)到1×10-2Pa時開始加熱，待爐膛溫度達(dá)到880℃時，開始保溫，保溫時間30 min；保溫結(jié)束后停止加熱，試驗(yàn)件隨爐冷卻至室溫。取出試驗(yàn)件，觀察銀與07Cr16Ni6鋼釬縫外觀及界面形貌，并通過剪切試驗(yàn)測試釬焊接頭強(qiáng)度。

圖1 銀/鋼釬焊試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of silver/steel brazing test piece

2 結(jié)果與討論

銀與07Cr16Ni6高強(qiáng)不銹鋼釬焊試驗(yàn)件外觀照片如圖2所示?？梢钥闯觯捎貌煌穸菴u作中間層均實(shí)現(xiàn)了銀與高強(qiáng)不銹鋼的釬焊連接，釬角部位存在明顯的Ag-Cu共晶組織。隨著中間層厚度的增加，釬縫釬角變得飽滿，當(dāng)中間層厚度達(dá)到40 μm時，銀基體出現(xiàn)明顯的熔蝕現(xiàn)象。根據(jù)Ag-Cu二元合金相圖可知，銀-銅共晶溫度為779℃，共晶點(diǎn)含銀量約為72%。在釬焊過程中，隨著溫度的升高，Ag基體與Cu鍍層之間會進(jìn)行相互擴(kuò)散，沿?cái)U(kuò)散方向?qū)纬刹煌腁g-Cu濃度梯度，當(dāng)溫度達(dá)到共晶點(diǎn)后，成分濃度接近共晶點(diǎn)區(qū)域會首先發(fā)生接觸反應(yīng)，形成液相共晶組織，在其界面處會生成液相，并隨之發(fā)生固態(tài)銀向液相中溶解現(xiàn)象[7]。此時，釬縫界面不僅存在固態(tài)Cu與Ag原子的相互擴(kuò)散，同時還有銀與銅的冶金反應(yīng)生成液相的過程、固態(tài)Cu與Ag原子向Ag-Cu共晶液相中的溶解及Ag-Cu共晶液相向Ag及Cu固相中的擴(kuò)散過程。隨著保溫時間的延長，液態(tài)金屬量逐漸增多。

銀與07Cr16Ni6高強(qiáng)不銹鋼釬焊試驗(yàn)件截面形貌如圖3所示。1#接頭內(nèi)部存在多處未焊合缺陷，2#和3#接頭界面連續(xù)致密，4#接頭銀基體邊緣存在熔蝕缺陷。分析認(rèn)為，當(dāng)Cu中間層厚度為10 μm時，厚度偏薄，釬焊過程中無法生成足夠的液相填充界面，界面處存在多處未焊合；當(dāng)Cu中間層厚度增大到20 μm時，銀與銅中間層反應(yīng)充分，生成的液相足以填充界面，同時未造成銀基體熔蝕，銀與高強(qiáng)不銹鋼形成可靠的釬焊連接；Cu中間層厚度增加到40 μm時，釬焊過程中生成的液相偏多，在釬焊加壓條件下，過多的液相被擠出，堆積在釬角處，造成銀基體熔蝕。

銀與07Cr16Ni6高強(qiáng)不銹鋼釬焊試驗(yàn)件界面線掃描如圖4所示?？梢钥闯?，銅中間層主要向銀基體側(cè)擴(kuò)散，隨著Cu中間層厚度的增加，Cu向銀基體的擴(kuò)散深度分別為80μm、120μm、150μm及250μm；而Cu向07Cr16Ni6不銹鋼內(nèi)的擴(kuò)散很淺，僅幾微米。這是因?yàn)楦鶕?jù)Fe-Cu二元合金相圖，鐵與銅在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，當(dāng)銅向鐵散時，形成有限溶解的固溶體。

圖2 銀與07Cr16Ni6不銹鋼釬縫外觀形貌Fig.2 Appearance of silver and 07Cr16Ni6 stainless steel brazing joint

圖3 銀與07Cr16Ni6不銹鋼釬縫截面形貌Fig.3 Cross section morphology of silver and 07Cr16Ni6 stainless steel brazing joint

銀與07Cr16Ni6高強(qiáng)不銹鋼釬焊接頭抗剪強(qiáng)度測試結(jié)果如圖5所示。當(dāng)中間層厚度為10μm時，由于釬焊過程中接觸反應(yīng)生成的液相量不足，釬縫內(nèi)部存在未焊合缺陷，接頭強(qiáng)度僅為65 MPa，接頭斷于釬縫處；中間層厚度增加至20 μm和30 μm時，接頭抗剪強(qiáng)度分別達(dá)到131 MPa和133 MPa，接頭均斷于銀基體處；中間層厚度為40 μm時，釬焊接頭強(qiáng)度降至84 MPa，接頭斷于釬縫處，這與釬焊過程生成的液相偏多而產(chǎn)生熔蝕缺陷有關(guān)。

3 結(jié)論

采用Cu作為中間層實(shí)現(xiàn)了銀與高強(qiáng)不銹鋼接觸反應(yīng)釬焊，通過對接頭進(jìn)行微觀組織分析和力學(xué)性能檢測，得出以下結(jié)論：

圖4 銀與不銹鋼釬縫界面線掃描結(jié)果Fig.4 Interface line scanning results of silver and stainless steel brazing joint

圖5 釬焊接頭抗剪強(qiáng)度與中間層厚度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the shear strength of brazing joint and the thickness of interlayer

（1）在合適的中間層厚度下，銀與高強(qiáng)不銹鋼通過接觸反應(yīng)釬焊可實(shí)現(xiàn)有效連接，界面連續(xù)致密，接頭強(qiáng)度可達(dá)131 MPa，接頭斷于銀基體處。

（2）隨著中間層厚度的增加，Cu向銀基體的擴(kuò)散深度增加。