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杨静，朱常桂，王飞，朱金霞，刘晓荣
（中国核动力研究设计院核燃料及材料国家重点实验室，成都，610041）
摘 要： 采用金相显微镜、电子显微镜、X射线能谱仪、显微硬度、力学试验等检测手段，对TA17钛合金/Ag95CuNiLi/0Cr18Ni10Ti不锈钢钎焊 接头的组织特征进行了分析。结果表明：钎缝中不锈钢/钎料一侧，形成了三层金属间化合物钎缝组织；在钛合金/钎料一侧，形成两个组织区域；同时，银沿钛合 金晶间扩散；在凝固钎焊接头的钎缝中，靠近不锈钢一侧出现了Ti、Cu的富集；靠近钛合金一侧Cu原子的含量明显升高，钎缝中心区基本上是纯银；钎缝中除 不锈钢/钎料扩散层外，其他各微区的显微硬度并没有增加；从钎缝断口分析也证明钎缝中靠近不锈钢一侧是接头最薄弱的位置。
关键词：钛合金；不锈钢；钎焊接头；组织
1 引言
钛 合金与不锈钢高质量的结合，在极端苛刻的条件下(如高低温环境、腐蚀环境等)表现出优良的性能，具有现实意义和广阔的应用背景。采用钎焊、扩散焊、爆炸 焊、热机械连接和形状记忆合金连接，是实现其过渡连接的有效方法。其中，钎焊作为一种可靠的连接方法获得了广泛的研究。钎料与母材的界面冶金作用是形成钎 焊接头的前提，液态钎料向母材的扩散以及固态母材向液态钎料的溶解，冷凝形成的钎缝组织决定了钎焊接头的性能。钛合金/不锈钢钎焊接头的组织已有许多研究 报道，但由于Ag95CuNiLi钎料是为特殊使用要求而开发的，本文讨论了使用Ag95CuNiLi制备的钛合金/不锈钢钎焊接头的组织特征，以及钎焊 工艺对钎缝组织的影响，为该钎焊接头的设计、制造和使用提供技术支持。
2 实验方法
2.1 实验材料
母材：为TA17钛合金与0Cr18Ni10Ti不锈钢，钎料为高银含量银基钎料Ag95CuNiLi。
钎焊设备：真空钎焊炉。
2.2 钎焊接头试样制备
母材尺寸为18mm×15mm×2mm(长×宽×厚)，采用片状钎料置于钛合金与不锈钢之间，并在顶板上加载0.2N的力于顶板上，在真空钎焊炉中，一定的温度和保温时间下，制备钎焊搭接试件。
2.3 组织分析
将搭接试样沿长度方向线切割，使钎焊区暴露，经研磨、抛光、蚀刻制备金相试样，在MeF3A光学金相显微镜和1845FE扫描电镜下测量钎料/母材扩散层厚度、钎缝缺陷，观察钎缝组织、钎缝的形貌等。
2.4 成分分析
样品在1845FE扫描电镜下用X射线能谱仪分析特征微区的成分和主要元素沿钎缝的线分布。
2.5 显微硬度分析
显微硬度值的测定在HXD-1000PMC显微硬度计上进行，分别测试母材、扩散区、界面内部不同位置的硬度值。
3 结果与讨论
3.1 钎缝组织
用扫描电镜观察钎缝形貌如图1、图2所示。蚀刻后在光学显微镜下观察到的钎缝组织如图3所示。图1～3的试样制备条件为970℃保温9min。
图1 不锈钢/钎料界面的SEM形貌 图2 钛合金/钎料界面的SEM形貌
图3 钎缝显微组织 图4 快速冷却后形成的α′针状相
对 整个钎缝进行观察，没有发现裂纹等钎焊缺陷，钎缝致密性好。从图1、2中可以看出，钎缝明显可分为几个区域。在不锈钢/钎料一侧，形成了明显的3个区域 (A、B、C)，具有明显的化合物钎缝组织特征；在钛合金/钎料一侧，形成界面不太明显的两个组织区域(D、E)，而且钎料中的银沿钛合金的晶间扩散，扩 散距离较远；当钎焊后快速冷却时，在钛合金/钎料一侧，形成了较宽的、针状相组成的过渡层(图4)。当钎料间隙较小、钎焊温度进一步提高后，整个钎缝区颜 色变深，界面模糊(图5)。这是由于母材、钎料中的各元素剧烈反应扩散的结果。
图5 钎缝组织和扩散层形貌金相照片 图6 钎焊后钛合金的组织和晶粒
970℃钎焊后的钛合金组织如图6所示，不锈钢的组织和晶粒没有发生变化，而钛合金不再具有原始的近α型等轴细晶粒组织，已有部分的α、β相变。因为钛合金的α、β相变温度约为960℃~1010℃。
在金相显微镜下可明显地观察到钛合金/钎料扩散层和不锈钢/钎料扩散层(图3)。两层扩散层的厚度与钎焊温度和时间密切相关，温度升高，时间延长，扩散层厚度增加，钛合金/钎料一侧扩散层厚度远远大于不锈钢/钎料一侧。
3.2 钎缝成分
用 X射线能谱测定主要元素沿钎缝的线分布。从钎缝中各元素含量的线分布来看，在不锈钢一侧的A、B、C三个微区中，A区Ag含量较高，B区Cu含量较高，C 区Ti的含量较高；在钛合金一侧的D区和E区，由于钛合金的溶解，钎料中Ag、Cu向钛合金扩散，D区Ti的含量降低，Ag、Cu的含量相对较高，E区 Ag、Cu的含量相对较低；钎缝中心区域主要是银。由于Ti原子从钛合金向钎料中溶解，Cu原子从含量高的液态钎料向母材界面进行宏观定向迁移，在随后的 冷却过程中产生共析反应。
β-Ti→α-Ti+Ti2Cu
溶解到液态钎料中的Ti，经过扩散穿过了液态钎料，并在不锈钢 的界面上积聚。同时，由于在Ti-Ag-Cu合金中银原子的扩散系数比较低。综述上述原因，在凝固钎焊接头的钎缝中，靠近不锈钢一侧出现了Ti、Cu的富 集，靠近钛合金一侧Cu原子的含量明显升高；钎缝中心区基本上是纯银。
当钎焊温度达到1000℃、保温时间为10min时，钎缝产生了明显的变化，钎缝中心区已经出现了大量的Ti，纯银区消失，钎缝界面变得模糊不清。这是因为温度升高后，钛合金在液态钎料中的溶解增加，在较小的钎焊间隙中溶解了大量钛的原因。
3.3 显微硬度
对 钎焊前后的母材以及钎焊接头剖面上各位置平均显微硬度进行了测量；图7是钎焊接头各位置平均显微硬度测量结果。接头的钎焊规范为：960℃、10min。 从分析结果来看，钎焊后，钛合金显微硬度有所增加，这与其显微组织变化有关；不锈钢显微硬度没有变化；钎缝中不锈钢/钎料过渡层平均显微硬度值有所增加。 这是由于不锈钢/钎料扩散层主要是由金属间化合物构成的缘故。
图7 试样剖面上显微硬度分布
3.4 钎缝强度
钎 缝剪切试样和拉伸试样的制备条件为：960℃、10min。实验结果表明，钛合金/不锈钢钎缝的的抗拉强度达到220MPa，剪切强度达到126MPa。 在扫描电镜下观察钎缝断口，断口的SEM形貌如图8所示。从图中可以看出，脆性断裂和韧性断裂同时存在。由断口成分(表1)可以看出，在断口处具有明显的 不锈钢成分特征，表明接头断裂位置在钎缝区域，并靠近不锈钢一侧。由此验证了钎缝中靠近不锈钢一侧形成了金属间化合物，这个区域是钛合金/不锈钢钎缝最薄 弱的位置。
图8 钎缝断口的SEM形貌
表1 钎缝断口成分 wt%
元素
Ti
Cr
Fe
Ni
Cu
Ag
含量
36.84
1.09
8.83
1.92
7.47
52.79
4 结论
(1) 通过对970℃、9min钎焊条件下制备的接头钎缝组织、成分和微区显微硬度研究表明，在钛合金一侧形成了两层不同的成分区域。在不锈钢一侧为金属间化合 物组织；钎缝中Ti已经进入不锈钢一侧的扩散层；钎料中的Cu在钛合金/钎料与不锈钢/钎料扩散层积聚；钎缝中心区域基本上是纯Ag；钎缝中除不锈钢/钎 料扩散层外，其它各区显微硬度并不高。
(2) 当钎焊温度达到1000℃，钎焊间隙较小时，钛合金溶解增强，钎缝中出现大量的高含钛化合物，钎缝界面变得模糊不清。
(3) 在使用高银含量的银基钎料制备的钛合合金与不锈钢异种金属的性能分析Ⅱ：钎焊性分析[J].金与不锈钢钎焊接头中，靠近不锈钢一侧的钎缝是接头最薄弱的位置，因此，在钎焊接头的设计、制造和使用上应予以考虑。
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