材料工程/2009年6期
采用T-iZr-Cu-Ni钎料钎焊SiC纤维增强钛基复合材料的接头组织与性能
MicrostructureandPropertyofSiC-reinforcedfTitaniumBasedCompositeJointUsingT-iZr-Cu-NiBrazingFiller
陈 波,熊华平,毛 唯,程耀永,郭万林
(北京航空材料研究院焊接及锻压工艺研究室,北京100095)
CHENBo,XIONGHua-ping,MAOWei,CHENGYao-yong,GUOWan-lin
(LaboratoryofWeldingandForging,
BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)
摘要:针对SiCf/B21S钛基复合材料,采用T-iZr-Cu-Ni钎料,进行了钎焊实验和接头力学性能测试。实验结果表明:960e/10min规范下的钎缝组织形貌单一,钎焊接头剪切强度平均值为9719MPa;960e/10min/5MPa规范下的钎缝主要由层片状组织组成,接头剪切强度平均值达到30317MPa,较前者提高了3倍左右,该接头经过900e/2h热处理后组织变化不大。钎缝中的缺陷以及Ti和Zr与Cu和Ni两种合金元素形成的脆性化合物相在接头中含量的多少决定着接头的力学性能。
关键词:SiCf/B21S;钎焊;接头
中图分类号:TG454 文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2009)06-0010-05
Abstract:ThevacuumbrazingtestofSiCf/B21Stitaniummatrixcompositewascarriedoutandthe
mechanicalpropertywasinvestigated.TheresultsindicatethattheshearstrengthoftheSiCf/B21Sjointsbrazedunder960e/10minis9719MPa.However,thejointstrengthunderthebrazingcond-itionof960e/10min/5MPaisincreasedto303.7MPa.Thejointstrengthismainlyaffectedbythea-mountofbrazingdefectsandbrittlecompoundsofTi(Zr)-Cu(Ni,Co)inthejoints.Keywords:SiCf/B21S;brazing;joint
SiC纤维增强的钛基复合材料以其高的比强度、比模量和良好的抗高温、耐腐蚀性能,在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景,引起了材料研究者的广泛兴趣[1-4]。近20年来,人们对该材料进行了深入的研究,并取得了突破性进展。特别是随着SCS-6等SiC纤维的改进与商品化,纤维增强钛基复合材料的一些研究成果开始产业化。如美国国防部和NASP资助建立的SiC纤维增强钛基复合材料的生产线,为单级直接进入轨道航天飞机提供机翼和机身的蒙皮、
[5]
支撑衍梁、加强筋等构件。国内的钛基复合材料研究起步较晚,虽取得了一定成绩,但与国外相比还有一定差距。
材料在实际应用过程中必然会碰到连接问题,有效解决材料的连接会扩展其应用领域,从而加速材料的发展。由于钛基复合材料是一种新兴的先进材料,国内外的研究大多集中在如何控制SiC纤维与钛合金基体的界面反应以及材料的制备上[6-8],而关于该材料连接、变形工艺等热加工技术研究很少,相应的文献
报道也很少。
本工作开展了对钛基复合材料的钎焊研究,旨在拓展该种材料的应用范围,使其更能够发挥质量轻、比强度、比模量高的特性。实验中选用了T-iZr-Cu-Ni钎料,研究该钎料对钛基复合材料的接头界面组织、连接机理以及接头力学性能,为该钎料的更广泛应用提供技术支持。
1 实验方法
实验用母材为SiCf/B21S,该材料是以B21S(名义成分为T-i15Mo-217Nb-3A-l012Si,质量分数/%)钛合金为基体,通过SiC纤维增强的钛基复合材料,其制作方法如下:将SiC纤维平行摆放于B21S箔材之间,罗列几层,之后采用热等静压固化压实制得。T-iZr-Cu-Ni钎
料成分见表1,该钎料是一种成熟的钛基钎料,对应俄罗斯牌号为16,其制备方法如下:各元素组分混合后在氩气保护条件下采用电弧熔炼设备制成合金
采用T-iZr-Cu-Ni钎料钎焊SiC纤维增强钛基复合材料的接头组织与性能
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锭,之后将合金锭置于石英管中,再利用急冷态箔材制
备设备将该钎料制成厚度约50Lm的急冷态箔带。
表1 T-iZr-Cu-Ni钎料成分(质量分数/%)Table1 CompositionoftheT-iZr-Cu-Nifillermetal
(massfraction/%)
TiBal
Zr13
Cu21
Ni9
片中所示的钎缝与母材组织差别不大,但通过颜色比
较,可以观察到钎缝宽度大约在50Lm左右,较预置间隙(钎料厚度50Lm)变化不大。
实验前将SiCf/B21S母材采用线切割方法加工成7mm@5mm@2mm的金相试样和60mm@12mm@2mm的性能试样,被焊表面经过细砂纸打磨后放置丙酮中进行超声清洗。试样采用搭接方式连接,钎料装夹在上下两试样被焊面中间。采用真空钎焊方法,共选用两种钎焊规范,分别是960e/10min和960e/10min/5MPa,热态真空度不低于110@10
-2
图1 960e/10min规范下SiCf/B21S接头
组织背散射电子像
Fig11 TheBSEimageoftheSiCf/B21S
jointbrazedunder960e/10min
Pa,加热
速度为10e/min。另外,960e/10min/5MPa的部分试样后续进行900e/2h热处理。通过扫描电镜(SEM)观察钎焊接头的微观组织形貌,使用X射线能谱仪(XEDS)分析接头中某些微观区成分以及接头中各元素的面分布。
接头中的母材与钎缝组织差别不大,所以表2给出了从母材到钎缝中心的连续区域中的元素含量(对应图1中/10,/20,/30和/40),从表中可以看出,/10和/20区为母材,其中有少量Cu和Ni扩散入,说明这两个区域中的Ti少量参与反应,与扩散过来的Cu和Ni生成相应的T-iCu,T-iNi等相;/30和/40区为钎缝基体区,/30区靠近母材,Al,Mo和Ti含量相对于母材略有减少,Cu和Ni含量有所增多,在钎缝中心的/40区出现了Zr的富集,Ni,Cu扩散较为充分,在钎缝中心含量相对较低。
2 实验结果与讨论
211 960e/10min规范下的钎焊接头
图1给出了960e/10min条件下采用单层T-iZr-Cu-Ni获得的SiCf/B21S接头的背散射照片,从图中可以看出,钎缝个别区域存在少量的未焊合缺陷。照
表2 T-iZr-Cu-Ni钎料对应SiCf/B21S钎焊接头微区能谱分析结果(质量分数/%)
Table2 TheEDSanalysisresultofSiCf/B21SjointwithT-iZr-Cu-Nifillermetalatdifferentmicrozones(massfraction/%)
Microzone
1234
Composition
Al2173218121521159
Si01600132--Ti79184801287910674101
Ni0175013511141159
Cu0163014911042198
Zr--018113114
Mo1514415176151436170
图2给出了接头中各元素的面分布情况,从中可以看出,Ni和Cu由于本身含量较少,钎焊过程中扩散较为充分,所以表现为在整个接头中分布均匀,无明显富集区域;Ti和Al在接头中分布较多,在钎缝基体位置略有减少,但减少量不如Mo明显;Zr主要分布在钎缝基体区域,但在纤维根部出现局部富集。212 960e/10min/5MPa规范下的钎焊接头 选用960e/10min/5MPa规范对SiCf/B21S钛基复合材料进行真空钎焊,施加压力的目的在于将接头
中熔化的钎料部分挤出钎缝,从而达到减少钎缝中脆
性化合物含量的目的,可以提高接头的强度。接头组织如图3所示,整个钎缝的截面上未出现缺陷。接头宽度接近200Lm,较预置间隙50Lm多了3倍左右,说明即使在压力作用下部分钎料被挤出,但是剩余的钎料依然与母材之间相互扩散,且钎料中个别元素扩散距离较远。接头区主要由灰色相和灰白色相组成,表现为灰白色条状相平行分布在灰色相基体中。
另外,图3还给出了接头横截面的线扫描图谱(对
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材料工程/2009年6期
图2 采用T-iZr-Cu-Ni钎料获得的SiCf/B21S接头界面背散射电子像(a)及元素Cu(b),
Ni(c),Mo(d),Ti(e),Al(f),Zr(g),Si(h)的面分布
Fig12 TheBSEimageoftheSiCf/B21Sjoint(a)andareadistributionimagesofelementsCu(b),Ni(c),Mo(d),Ti(e),Al(f),Zr(g),Si(h)usingT-iZr-Cu-Nifillermetal
表3给出了SiCf/B21S接头中灰白色相和灰色相中的元素含量(见图3a中/10和/20),在灰白相/10中Ni和Cu含量相对较多,Ti与这两种元素在该区相互作用生成T-iCu,T-iNi等相;而灰色相/20中主要以Ti
含量为主,含有少量的Zr。
表3 960e/10min/5MPa规范下SiCf/B21S
接头中各元素的含量(质量分数/%)
Table3 TheEDSanalysisresultofSiCf/B21Sjointat
differentmicrozones(massfraction/%)
Microzone
12
图3 960e/10min/5MPa规范下SiCf/B21S
接头组织背散射电子像(a)及
各元素的线扫描图谱Ti(b),Ni(c),Cu(d),Zr(e)Fig13 TheBSEimage(a)oftheSiCf/B21SjointandthelinescanningimagesofTi(b),Ni(c),Cu(d),Zr(e)
Composition
Ti7617595129
Ni4124-Cu141571156
Zr41443115
为了使得钎缝组织进一步均匀化,将960e/10min/5MPa规范下的SiCf/B21S钛基复合材料接头进行热处理,热处理规范为900e/2h,观察热处理对
钎焊接头组织的影响。热处理后的接头组织如图4a所示,接头宽度较热处理前变化不大,为200Lm左右,且接头主要由灰色相和灰白色相相间的层状组织组成。热处理后与未经热处理的接头组织层片尺寸发生了变化,表现为热处理后的接头组织层片变得细小,说明热处理有利于组织及成分均匀化。图4b,c,d,e给出了对应图4a中白线位置的Ti,Ni,Cu,Zr元素线扫描图谱,从图中可以看出,接头主要以Ti为基,Ti占整个接头的所有元素含量的大部分;Ni和Cu分布情况类似,主要分布在钎缝中灰白色相中;而Zr主要分布在钎缝基体中。
应图3a中白线位置),从扫描图谱中可以看出,接头主要以Ti为基,Ti占整个接头的所有元素含量的大部分,但在灰白色条状相中含量略有降低(见图3b);Ni和Cu的分布情况类似,在接头灰白色条状物中分布相对较高(见图3c和3d);Zr主要分布在钎缝基体中,越靠近钎缝中心含量越高(见图3e);由于Mo,Al,Si,Nb等元素只是在B21S基体中含有,在钎缝中分布趋势表现为从母材到钎缝中心依次减少,因此图谱未列出。
采用T-iZr-Cu-Ni钎料钎焊SiC纤维增强钛基复合材料的接头组织与性能
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图4 热处理后的SiCf/B21S接头组织背散射电子像(a)及各元素的线扫描图谱
Ti(b),Ni(c),Cu(d),Zr(e)
Fig14 TheBSEimage(a)oftheSiCf/B21S
jointafterheattreatmentandthe
linescanningimagesofTi(b),Ni(c),Cu(d),Zr(e)
表4给出了热处理后的SiCf/B21S接头中灰白色相(图4a中/10)和灰色相(图4a中/20)中的元素含量,可以看出,在灰白相/10中Cu出现了富集,基本达
到在原始钎料中的含量,这与热处理前的钎缝相对应的该区域的Cu含量差别很大;而灰色条状组织/20中主要以Ti含量为主,略含有少量Zr。
表4 经过热处理的SiCf/B21S接头中
各元素的含量(质量分数/%)
Table4 TheEDSanalysisresultofSiCf/B21Sjointafterheat
treatmentatdifferentmicrozones(massfraction/%)
Microzone
Composition
TiNiCuZr17410121932015021572
98155
--1145
213 钎焊接头的力学性能
表5分别给出了960e/10min和960e/10min/5MPa两种规范下钎焊接头的剪切性能,其中未施加压力试样剪切强度平均值为9717MPa,性能相对较低;而施加了5MPa压力的试样剪切强度平均值达到30317MPa,较前者提高了3倍左右。分析认为,影响接头性能的主要原因可以总结为两点:(1)接头中缺陷对接头性能的影响。960e/10min规范下的接头中存在少量未焊合缺陷,这些缺陷的存在削弱了接头的强度,并且很可能成为接头性能下降的主要因素。本规范接头缺陷存在的原因分析如下:钎焊过程中钎料在
熔化铺展时局部微区未填充满,未填充满可能是因为
在钎焊过程中钎料内部的合金元素向母材扩散,导致其成分发生了变化,从而熔点升高,出现了等温凝固现象,使得局部缺乏钎料的区域得不到周围钎料的填充而出现缺陷;另一个原因可能是因为试样或钎料制备过程中表面未处理干净,钎焊时生成气体而未能排出,滞留于钎缝中形成缺陷。而对于960e/10min/5MPa规范下的试样,由于压力的作用使得钎料与母材界面紧密接触,消除了未填充满现象以及钎缝中的气孔,得到了缺陷很少的接头,接头性能就随之提高。(2)接头中脆性化合物对接头性能的影响。根据二元合金相图[9],Ti与Zr无限固溶,二者不会生成脆性化合物相,而这两种元素与Cu,Ni和Co会生成相应的脆性
化合物相。960e/10min,960e/10min/5MPa以及960e/10min/5MPa+900e/2h几种规范下的接头中Cu,Ni和Co三种合金元素与Ti和Zr相互作用生成Ti(Zr)-Cu(Ni,Co)等相,甚至生成复杂的多元合金相。正是由于这些相在接头中的存在增加了接头的脆性,影响了接头的强度。
表5 960e/10min和960e/10min/5MPa规范下获得的
SiCf/B21S钎焊接头的剪切强度
Table5 ShearingstrengthofSiCf/B21Sjointswith
960e/10minand960e/10min/5MPa
Numbering
BrazingShearingAverageparameterstrength/MPa
value1#106102#960e/10min
89179719
3#4#960e/10min/
297105#
5MPa
276123031733810
总之,钎缝中的缺陷以及脆性化合物相的含量决
定着接头的力学性能,本研究中960e/10min规范下的接头缺陷相对较多,这可能成为接头力学性能下降的主导因素。就钎焊接头而言,在缺陷很少的情况下,钎缝中化合物相的含量及分布决定着接头的力学性能。郭万林等[10]通过理论计算与实际实验相结合,得出保温时间对接头性能影响较大,保温时间从5min增加到20min时,接头性能提高了17%左右;吴铭方、蒋成禹等
[11,12]
采用Ag-Cu共晶钎料钎焊TC4合金的
研究结果表明,保温时间短,接头中存在T-iCu相反应层,当保温时间增加至30min时,接头界面的T-iCu相
反应层消失,并且接头力学性能随保温时间增加而提高,另外,接头施加1MPa压力比未施加压力的接头性能明显提高。这些研究结果表明,无论是增加保温时
14
间还是对接头施加压力,其目的都是为了使得接头成分和组织均匀化,尽量减少脆性化合物相的含量,从而提高接头的力学性能。由于960e/10min/5MPa+900e/2h规范下的接头组织和成分与960e/10min/5MPa规范下的相近,所以实验中未给出力学性能数据,分析认为两种规范下接头性能将不会相差很大。
24(2):336-340.
材料工程/2009年6期
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基金项目:航空基础科学基金(2006ZE21004)
3 结论
(1)采用T-iZr-Cu-Ni钎料,在960e/10min和960e/10min/5MPa两种规范下对SiCf/B21S进行了真空钎焊,实现了钛基复合材料的成功连接。
(2)960e/10min规范下钎焊接头剪切强度平均值为9719MPa,960e/10min/5MPa规范下接头剪切强度平均值达到30313MPa,较前者提高了3倍左右。 (3)钎缝中的缺陷以及Ti和Zr与Cu和Ni两种合金元素形成的脆性化合物相共同决定着接头的力学性能,960e/10min规范下接头性能低的主导因素为接头中存在着少量的缺陷。
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作者简介:陈波(1979)),男,工程师,主要从事新材料的钎焊扩散焊研究,联系地址:北京81信箱20分箱(100095),E-mail:chenbo621@s-ina.com
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(上接第9页)
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基金项目:中国石油化工股份有限公司基金资助项目(305017);南京工业大学博士论文创新基金资助项目(BSCX200715)收稿日期:2007-12-19;修订日期:2008-05-20
作者简介:王文和(1980)),男,博士研究生,主要从事过程装备腐蚀与防护技术研究,联系地址:南京工业大学机械与动力工程学院可靠性工程研究室(210009),E-mail:wangwenhe518@163.com
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