鋯銅與鎳基合金擴散釬焊界面微觀組織及力學性能
李 曄1 荊慧強2
（1．內蒙古建筑職業(yè)技術學院裝飾與藝術設計學院；2.北京航天發(fā)射技術研究所）
摘要在不銹鋼與銅合金的擴散連接工藝研究的基礎上，研究了鋯銅與鎳基高溫合金材料的擴散釬焊連接行為，主要研究了焊接接頭的微觀形貌以及力學性能。結果表明，鋯銅和鎳基高溫合金在焊接溫度為880～900℃、焊接時間達到90～120 min時，擴散釬焊接頭界面結合良好，組織均勻致密，焊接接頭的各項力學性能較好，可以實現(xiàn)冶金結合。
關鍵詞 鋯銅；鎳基高溫合金；擴散釬焊；組織形貌
中圖分類號 TG454；TB331 DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 022
鎳基高溫合金由于其良好的高溫性能和耐腐蝕性，廣泛應用于航天航空領域，在火箭發(fā)動機制造過程中，需要將鎳基高溫合金材料與鋯銅材料進行連接。鋯銅是在銅合金中加入Z r，以提高合金的強度，但導熱性和導電性較差，由于這兩種材料性能存在明顯差異，傳統(tǒng)的焊接方式容易造成焊縫開裂等缺陷。
擴散釬焊作為一種精密的連接方法，依靠連接材料原子之間的擴散，在接觸面上形成熔化液相，完成材料連接。采用這種焊接方式形成的焊縫強度接近于母材強度，同時可以保留連接材料的性能優(yōu)勢，另外對材料焊前的表面質量無特殊要求。杜雙明等對AZ31B/Cu兩種金屬采用擴散焊的方法進行焊接，并對兩種金屬的擴散焊接頭組織及性能進行了研究和分析，對不同溫度、保溫時間、壓力等工藝參數(shù)對界面區(qū)微觀組織的影響進行了討論。王懷建等采用共晶釬焊工藝對Mg/Cu異種金屬進行連接，研究了不同的環(huán)境溫度和時間、壓力等參數(shù)對接頭微觀組織及力學性能的影響。MAHENDRAN G等用固相擴散焊的方法，對Ti Al／40Cr異種金屬進行焊接，通過研究焊接溫度、焊接壓力和保溫時間對接頭的影響，得到擴散焊接的最佳工藝參數(shù)，但并未對焊接接頭的內部顯微組織展開深入研究，另外涉及的研究對象也并非銅合金。
本課題對鋯銅與鎳基高溫合金材料的擴散釬焊連接進行了研究，主要對焊接接頭的微觀形貌以及力學性能進行分析，為鋯銅和鎳基高溫合金提供一種可靠的連接方法。
1 試驗材料及方法
試驗材料選擇C15000鋯銅棒和Inconel 600鎳基高溫合金棒，尺寸均為ϕ50 mm×50 mm，其參數(shù)見表1。為了對比不同焊接溫度和焊接時間對擴散釬焊焊接品質的影響，選擇5個試驗樣本，見表2．試驗材料焊接面采用800號的Si C砂紙進行打磨，打磨后在丙酮溶液中超聲清洗30 min，隨后進行擴散釬焊焊接。
整個擴散釬焊過程都是在DLB-100真空釬焊爐中進行，焊接溫度為840～920℃，焊接時間為60～120min，隨爐冷卻。鋯銅與鎳基高溫合金圓棒裝配見圖1，鋯銅與鎳基高溫合金材料擴散釬焊后，將被焊試樣的接頭界面垂直切割，采用標準金相顯微鏡觀察接頭界面，
其中拋光試樣在磷酸溶液中腐蝕，通過掃描電鏡(SEM)及顯微電子分析儀觀察焊接接頭的顯微組織、斷口形貌及分析接頭成分，對于焊接接頭的力學性能采用剪切試驗機進行評定。
2 試驗結果及分析
2.1 接頭界面微觀組織分析
2.1.1 焊接時間對接頭顯微組織的影響
圖2為不同焊接時間時擴散釬焊接頭組織形貌，其中焊接溫度為880℃。從圖2a可以看到，焊接時間為60 min時，擴散區(qū)寬度較窄，在靠近鋯銅的一側，出現(xiàn)了大塊的白色析出物。從圖2b看出，焊接90 min后，中間層擴散區(qū)寬度逐漸增加，在靠近鋯銅一側的白色析出物顆粒變小，組織相對細小，在析出物前端有亮色小顆粒生成。當焊接120 min時，中間層擴散區(qū)寬度進一步增加，擴散更加均勻，中間層逐漸消失，見圖2c，與鎳基高溫合金一側無明顯界限，擴散區(qū)均勻致密，擴散釬焊界面結合良好，未出現(xiàn)焊縫缺陷。
2.1.2 焊接溫度對接頭顯微組織的影響
焊接溫度對擴散釬焊接頭的焊接質量有著顯著影響。圖3為不同的焊接溫度下擴散釬焊焊縫的組織形貌。從圖3a看出，焊接溫度為840℃時，鎳基高溫合金和鋯銅的接觸界面并沒有出現(xiàn)明顯擴散，只有部分區(qū)域出現(xiàn)液相，未能達到共晶溫度和成分。從圖3b看出，焊接溫度為880℃時，鎳基高溫合金和鋯銅的接觸界面的擴散區(qū)域逐漸增大，產(chǎn)生大量共晶組織，在靠近鋯銅的一側有大量的白色塊狀物析出。當焊接溫度達到920℃時，鎳基高溫合金和鋯銅的接觸界面的擴散區(qū)域繼續(xù)增大，共晶組織均勻致密，在靠近鎳基高溫合金一側的擴散區(qū)域有白色塊狀物質析出，見圖3c。
2.2焊接接頭力學性能分析
2.2.1 焊接接頭界面擴散區(qū)的顯微硬度分布
采用洛氏顯微硬度計對合金試樣進行顯微硬度測試，顯微硬度實測點位置及顯微硬度值分布見圖4。
圖4a是在焊接溫度為880℃時，不同焊接時間下擴散釬焊接頭區(qū)域的顯微硬度。隨著焊接時間的延長，擴散區(qū)域的硬度逐漸提高。由于連接層主要由金屬間化合物組成，從而表現(xiàn)出較高的硬度，并隨離焊縫中心距離的增大而略有減小。而在跨越連接層與基體界面時，其硬度陡降至鋯銅基體的硬度，因此基體與連接層的硬度表現(xiàn)出較大的差別；當焊接時間為120 min時，由于鋯銅一側析出大量白色塊狀物質，鋯銅一側的硬度( HRB)出現(xiàn)最大值為88。圖4b是焊接時間為90 min時，不同焊接溫度下擴散釬焊接頭區(qū)域的顯微硬度。焊接溫度為840℃時，擴散區(qū)域的硬度較低，隨著焊接溫度上升，擴散區(qū)域的硬度逐漸增加，當焊接溫度達到920℃，硬度的峰值出現(xiàn)在鎳基高溫合金一側。連接層中的成分逐漸趨于均勻，并且其形成的共晶組織中包含有純銅相，硬度逐漸接近于純鋯銅基體的硬度。
2.2.2焊接接頭界面的斷口形貌
對擴散釬焊接頭取樣并進行拉伸和沖擊試驗，試樣焊接溫度為880℃，焊接時間為90 min，圖5為鋯銅和鎳基高溫合金擴散釬焊接頭試樣的拉伸斷口形貌。
由圖5a可以看到，鋯銅一側為典型的解理斷裂形貌，在臺階交匯處出現(xiàn)大量的塑性韌窩，同時由于鋯銅和鎳基高溫合金的原子相互擴散，在鋯銅一側分布著直長的白色凸狀物，另外在鎳基高溫合金一側，該側端口存在部分直長的撕裂棱以及塑性韌窩，同樣也是由于兩種元素的原子相互擴散引起，見圖5b。
可以看到．該斷口具有脆性斷裂和韌性斷裂的共同特征，斷裂發(fā)生在界面擴散區(qū)域。因此在拉伸過程中，塑性變形首先發(fā)生在強度較低的基體中。由于連接層強度遠高于基體，而且較脆，不能協(xié)調基體的變形，導致在基體與連接層界面造成較大的應力集中，當應力集中達到一定程度時，必然會在界面上產(chǎn)生裂紋，裂紋迅速在脆性連接層擴展，導致連接試樣斷裂，從而使得該連接試樣表現(xiàn)出較低的抗拉強度與塑性。
通過以上對擴散釬焊接頭的力學性能的分析，可以發(fā)現(xiàn)，鋯銅和鎳基高溫合金在焊接溫度為880～920℃、焊接時間達到90～120 min，擴散釬焊接頭的各項力學性能較好，可以實現(xiàn)冶金結合。
3 結 論
焊接時間和溫度對鋯銅和鎳基高溫合金材料的擴散釬焊性能存在顯著影響。隨著焊接時間的延長，焊接溫度的升高，擴散釬焊接頭界面結合良好，組織形貌均勻，各項力學性能良好。
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