杜文朝，付林玲，夏春智

(江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212100)

W-Cu復(fù)合材料兼具鎢和銅的屬性，常表現(xiàn)出優(yōu)異的抗放電性能，具有高耐熱性、高電導(dǎo)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(guān)電器、微電子、高性能電極材料以及軍事、航空航天領(lǐng)域[4-5].但在實(shí)際使用過程中，鎢銅合金常出現(xiàn)抗高溫氧化性差、低溫韌性不足等問題[6].因此工業(yè)上可將鎢銅合金與廣泛使用的1Cr18Ni9不銹鋼連接制成復(fù)合件，用于較為復(fù)雜的工況環(huán)境.由于W-Cu復(fù)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(shí)在其界面連接處往往會(huì)形成脆性金屬間化合物以及殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象，大大降低了界面連接強(qiáng)度.

針對(duì)上述問題，目前的研究常采用泡沫中間層作為緩沖層進(jìn)行異種材料的釬焊連接[7-10]，以降低殘余應(yīng)力，減少脆性金屬間化合物的形成.但有關(guān)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(jìn)一步提高W-Cu與1Cr18Ni9不銹鋼釬焊的結(jié)合強(qiáng)度，文中在參考前人研究[11-15]的基礎(chǔ)上采用多孔泡沫Ni中間層復(fù)合AgCuTi釬料對(duì)W-Cu與1Cr18Ni9鋼進(jìn)行釬焊連接，并對(duì)其不銹鋼接頭的組織及微觀斷口形貌進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試樣形式

本試驗(yàn)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L(zhǎng)ucas Milhaupt公司生產(chǎn)的AgCuTi焊膏，Ag66Cu28Ti8(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%).

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(jù)AgCuTi焊膏對(duì)母材潤(rùn)濕性的差異，將不銹鋼母材放在下方.實(shí)驗(yàn)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(fù)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(fù)合釬料于母材的位置又能提高釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性.

圖1 釬焊裝配示意圖

1.2 釬焊工藝

本試驗(yàn)采用真空釬焊的方法進(jìn)行連接，主要有以下步驟.

(1)工件表面處理.試驗(yàn)前先將母材表面進(jìn)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(zhǔn)備好的復(fù)合釬料置于兩母材之間，并按照?qǐng)D1裝配完成后平穩(wěn)置于真空釬焊爐中.

(3)釬焊工藝參數(shù).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(shù)見圖2.

圖2 釬焊工藝參數(shù)

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(jìn)行腐蝕.通過ZEISS Merlin Compact場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察釬縫微觀形貌，運(yùn)用能量色散光譜(EDS)對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)掃描，測(cè)定各特征區(qū)域的元素組成及含量；此外，試驗(yàn)中接頭彎曲斷口形貌及特征都通過SEM與EDS等技術(shù)手段進(jìn)行分析.

2 試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(jié)構(gòu)促進(jìn)了釬料熔化過程中元素內(nèi)部的擴(kuò)散性.因此，釬焊接頭的組織結(jié)構(gòu)相較于本課題組[15]僅使用單一AgCuTi釬料釬焊時(shí)有更加明顯的均勻性，不再呈現(xiàn)釬縫近母材兩側(cè)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(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了釬縫的承載強(qiáng)度，因而釬縫成型光滑不會(huì)出現(xiàn)塌陷等問題.

圖3 添加泡沫鎳復(fù)合釬料釬焊接頭顯微組織

圖3(a)中區(qū)域I為釬縫近不銹鋼側(cè)界面反應(yīng)區(qū)，區(qū)域II為釬縫近W-Cu合金側(cè)界面反應(yīng)區(qū)，區(qū)域III為釬縫中心.將區(qū)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(duì)規(guī)則且數(shù)量較多的深灰色團(tuán)塊狀相、不規(guī)則的灰色相以及數(shù)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(cè)為泡沫鎳與AgCuTi發(fā)生了冶金反應(yīng)，形成了圖3(b)中的深灰色團(tuán)塊狀相，并且作為增強(qiáng)相增強(qiáng)了釬縫的強(qiáng)度.為了更清楚分析釬縫各區(qū)的組織特點(diǎn)，將I區(qū)和II區(qū)進(jìn)行放大，如圖4.

圖4 釬焊接頭特征區(qū)顯微組織

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

為了進(jìn)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(gè)特征區(qū)域，在圖4(b)中選取3個(gè)特征區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1.

表1 泡沫鎳復(fù)合釬料釬焊接頭特征區(qū)域元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

特征區(qū)A的相為釬縫中數(shù)量最多且分布均勻的深灰色團(tuán)塊相，主要元素為Cu(51.32%)，Ni(24.51%)，Ti(22.85%)，與特征區(qū)A相似的相E區(qū)域元素構(gòu)成為Ni(38.34%)，Cu(33.16%)，Ti(28.50%).推測(cè)元素分布的原因?yàn)殁F料在泡沫鎳中的均勻擴(kuò)散所致.特征區(qū)B為釬縫中存在的不規(guī)則的灰色相，由大量的Cu元素構(gòu)成，明顯為富Cu固溶體組織；特征區(qū)C與特征區(qū)D為靠近不銹鋼側(cè)的大量深灰色團(tuán)塊相，EDS分析結(jié)果表明特征區(qū)C的主要元素為Cu(47.05%)、Ti(35.25%)、Fe(14.24%)、Ni(3.46%)，推測(cè)該區(qū)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(qiáng)的結(jié)合能力，依據(jù)Ti-Cu二元合金相圖[16]和熱力學(xué)手冊(cè)[17]，Ti和Cu元素可通過下式反應(yīng)生成Ti2Cu金屬間化合物：

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

(1)

(2)

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

2.2 硬度測(cè)試

為進(jìn)一步分析釬焊界面微觀組織對(duì)接頭性能的影響，使用維氏硬度計(jì)測(cè)試了界面的顯微硬度分布，如圖5.參數(shù)為：加載力為50 g，加載時(shí)間10 s，每隔0.5 mm取一個(gè)硬度值.

圖5 釬焊接頭近界面處顯微硬度分布

由于W-Cu復(fù)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(cè)母材基體，呈“V”型分布特征.

釬縫區(qū)硬度過渡平緩、硬度值較高，與釬縫區(qū)形成數(shù)量較多且分布均勻的富(Cu、Ag、Ti)固溶體增強(qiáng)相這一特征相符合.由于較多固溶體增強(qiáng)相的存在強(qiáng)化了釬縫區(qū)的強(qiáng)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(qiáng)度.

2.3 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

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(yīng)層組成.該區(qū)域組織性能較為復(fù)雜，在復(fù)雜的工況環(huán)境釬焊接頭界面可能會(huì)發(fā)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(diǎn)彎曲試驗(yàn)較為簡(jiǎn)單，能夠確保試驗(yàn)過程中裂紋沿界面區(qū)擴(kuò)展，且試件不會(huì)突然失穩(wěn)[18].根據(jù)本課題釬焊試件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖6的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具，此夾具為標(biāo)準(zhǔn)的30 mm測(cè)試夾具.試驗(yàn)儀器采用CMT5205電子萬能試驗(yàn)機(jī)，壓頭位移速度為1 mm/min.相同工藝參數(shù)的釬焊接頭準(zhǔn)備3個(gè)試樣，測(cè)定試樣所能承受的平均彎曲載荷.釬焊接頭彎曲試驗(yàn)后的試樣如圖7.其中圖7(a)為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)前的試樣，圖7(b)為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的試樣.

圖6 四點(diǎn)彎曲測(cè)試結(jié)構(gòu)

圖7 釬焊接頭的四點(diǎn)彎曲試樣

彎曲試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值，彎曲強(qiáng)度按式(3)進(jìn)行計(jì)算.彎曲結(jié)果見表2.

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

σ=3Fa/bh2

(3)

式中：σ為四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，MPa；F為彎曲載荷，N；a為試樣所受彎曲力臂長(zhǎng)度，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm.

在四點(diǎn)彎曲加載過程中，釬焊接頭出現(xiàn)了屈服臺(tái)階，說明釬焊接頭釋放出了一定的塑性變形，并且彎曲強(qiáng)度達(dá)到了614 MPa.

結(jié)合2.2釬焊接頭界面區(qū)硬度分布可知，由于泡沫鎳的加入，釬縫區(qū)硬度呈平緩過渡的“V”型分布，硬度更接近于兩側(cè)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(shí)硬度呈現(xiàn)“硬夾軟”的特殊結(jié)構(gòu)，有更為良好的力學(xué)性能表現(xiàn).因此，力學(xué)性能相較于僅使用AgCuTi釬料時(shí)的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度576 MPa有較大的提升.

2.4 微觀斷口形貌

圖8為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的試樣釬焊接頭斷口形貌，并對(duì)微觀斷口不同的特征區(qū)進(jìn)行能譜分析.

圖8 釬焊接頭的斷口形貌及特征區(qū)

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(cè)界面斷裂特征，可發(fā)現(xiàn)明顯的臺(tái)階解理面、河流花樣，以及較少撕裂脊.因此，不銹鋼側(cè)脆性斷裂占據(jù)主導(dǎo)地位.圖8(c)W-Cu側(cè)斷口特征，有較明顯的撕裂脊即韌窩存在，說明在鎢銅側(cè)產(chǎn)生韌脆混合斷裂，其中韌性斷裂占主導(dǎo)地位.

為了進(jìn)一步分析斷裂機(jī)理，對(duì)斷口界面特征區(qū)進(jìn)行EDS成分分析，結(jié)果見表3.特征區(qū)1、5主要元素為Fe、Ti，特征區(qū)2主要元素為Cu、Ti，說明在不銹鋼側(cè)界面斷裂處出現(xiàn)了脆性化合物Fe2Ti與Cr2Ti.特征區(qū)3、8和6均位于韌窩內(nèi)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(qū)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(dāng)應(yīng)力不斷加大，接合面開始發(fā)生位錯(cuò)、滑移，微觀晶粒開始發(fā)生局部應(yīng)變和變形，產(chǎn)生顯微空洞直至長(zhǎng)大形成韌窩.因此，脆性斷裂主要發(fā)生在釬縫近不銹鋼側(cè)的金屬間化合物聚集處，韌性斷裂主要發(fā)生在釬縫近鎢銅側(cè)的固溶體組織處.

表3 釬焊接頭斷口特征點(diǎn)元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 結(jié)論

(1)多孔結(jié)構(gòu)Ni泡沫中間層的添加可以實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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(kuò)散層處生成了少量Cu2Ti與Fe2Ti化合物.

(2)釬焊接頭的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果：采用泡沫鎳中間層后的復(fù)合釬料釬焊W-Cu合金和1Cr18Ni9不銹鋼，得到接頭強(qiáng)度較為理想，達(dá)到614 MPa.接頭斷裂位于釬縫近不銹鋼側(cè).

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