钎焊对TZM合金与ZrCpW复合材料接头界面组织及性能的影响.docx

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钎焊对TZM合金与ZrCpW复合材料接头界面组织及性能的影响

钎焊时间对TZM合金与ZrCp-W复合材料接头界面组织及性能的影响

摘要：

采用Ti-28Ni（质量分数,%）钎料在1040℃实现了TZM合金与ZrCp-W复合材料的真空钎焊连接，分析了钎焊时间对TZM合金与ZrCp-W复合材料接头界面组织及力学性能的影响.结果表明,钎焊接头的典型界面结构为TZM/Ti（s,s）/Ti2Ni/（Ti,Zr）C+W（s,s）/ZrCp-W，钎缝宽度随保温时间的延长而增大，其中Ti（s,s）层的厚度没有变化，Ti2Ni层厚度略有降低，而扩散层厚度随保温时间的延长稍有增加.当保温时间为10min时，接头获得最大抗剪强度值120MPa，接头断裂发生在TZM母材.

关键词：

钎焊；TZM钼合金；ZrCp-W复合材料；界面组织；力学性能

0序言

TZM合金（Mo-0.5Ti-0.08Zr-0.02C,质量分数，%）是含有微量Ti，Zr，C等元素的钼合金，具有熔点高、高温力学性能良好等特点，被广泛应用于火箭喷嘴、燃气管道、喷管喉衬及核能源设备的辐射罩、支撑架、热交换器、轨条等[1].ZrCp-W是在钨合金中加入一定比例的ZrC颗粒，通过热压烧结、原位反应、熔融浸渗法等方法制成的ZrC颗粒增强钨基复合材料，具有优异的高温力学性能和热震烧蚀性能，在航天防热部件、耐高温模具和卡具及热阴极发射材料等领域有广阔的应用前景[2].

实现TZM合金与ZrCp-W复合材料的连接，有望拓展两种材料在核能、航空、航天等领域的应用.钎焊是连接异种材料最常用的方法之一，但是目前，尚未发现对TZM合金与ZrCp-W复合材料进行钎焊连接的公开报道.在相关研究中，研究人员分别采用银基、钛基、金基及Ti-Ni基钎料对钼或钼合金、乌或ZrC等材料进行钎焊分析[3-8].

文中利用自制的Ti-28Ni（质量分数，%）钎料对TZM与ZrCp-W进行了真空钎焊试验，分析了钎焊时间对接头界面组织和反应产物及其力学性能的影响.

1试验方法

1.1试验材料

试验所用母材为TZM合金与ZrCp-W复合材料.其中TZM合金为商用轧制钼板；ZrCp-W复合材料为哈尔滨工业大学研制，由30%（体积分数）的ZrC与W经热等静压所得，其微观组织形貌如图1所示，白色相为钨颗粒，灰色相为ZrC，EDS数据显示，黑色相中C含量95%左右，推断为分解后聚集的石墨.

图1ZrCp-W复合材料的微观组织形貌

Fig.1MicrostructureofZrCp-Wcomposite

试验所用钎料由钛丝（牌号TA1，≥99.6%）和镍丝（牌号N6，≥99.5%）按照72∶28（质量数分，%）的比例经真空电弧熔炼所得.

1.2钎焊试验

将TZM和ZrCp-W母材分别加工成尺寸为20×10mm×3mm和5mm×4mm×4mm的试件.将TZM和ZrCp-W试件的待焊表面分别用500目、800目、1200目的砂纸和金刚石砂盘逐次打磨.将Ti-28Ni钎料加工成薄片，用砂纸双面打磨至厚度为100μm的箔片，将试件与钎料放入丙酮中超声清洗15min，风干后，依自下而上的顺序将TZM，Ti-28Ni，ZrCp-W进行装配，再对试件施加3kPa的垂直压力，放入真空度为5×10-3Pa的真空钎焊炉中进行钎焊.

钎焊时，首先升温至920℃，保温5min，然后以5℃/min的速率升温至1040℃，保温一定时间，最后以5℃/min的速率降温至200℃，随炉冷却至室温.5组试验的保温时间分别为0，5，10，20，40min.

1.3接头组织分析与力学性能测试

采用扫描电镜（Quanta200FEG）、能谱仪（HitachiTN-4700）以及X射线衍射仪（XRD）对接头的界面组织、反应产物和尺寸等进行了观察和分析，推断反应产物种类；利用万能试验机（Instron1186）对焊后试样进行剪切强度测试，压头下压速度为0.5mm/min，每组焊接试样测试5件，取其平均值.

2试验结果与分析

2.1钎焊接头界面组织

图2所示为钎焊温度1040℃，保温5min时获得的钎焊接头典型界面BSE照片.从图2中可以看出，Ti-28Ni钎料与两侧母材均发生反应，生成了多种反应产物（层），为了叙述方便，将接头界面组织分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个反应层区，毗邻TZM合金的反应区Ⅰ，靠近ZrCp-W母材的反应区Ⅲ，以及介于两者之间的反应区Ⅱ.

图2TZM/Ti-28Ni/ZrCp-W钎焊接头典型界面结构

Fig.2TypicalmicrostructureofTZM/Ti-28Ni/ZrCp-Wjoint

根据图2可以看出，钎缝主要包括4种不同的相，分别标记为A，B，C，D四点.其中，浅灰色相（A点）主要分布于I区，深灰色相（B点）主要分布于II区，白色颗粒状相（D点）遍布点于III区，同时，在III区的白色相中间，还散布着一些黑色相（C点）.

表1为图2中各点的EDS结果，根据化学成分分析了各点对应的反应产物：

A点主要由Ti，Mo两种元素组成，推断其为钛基固溶体；B点主要由Ti，Ni元素组成，两者原子比约为2∶1，推断其为Ti2Ni，推断B点为Ti2Ni与ZrC形成固溶体；C点所含主要元素为Ti，C，Zr，根据其比例，认为其为TiC和ZrC的固溶体；D点成分组成与ZrCp-W母材相一致，推断其为钨基固溶体.

表1图2中钎焊接头各点成分分析结果（原子分数,%）

Table1EDSresultofeachspotasmarkedinFig.2

区域MoTiNiWZrC可能相A24.7760.043.634.497.07—Ti（s,s）B0.8637.2919.980.129.0732.68Ti2NiC0.3537.810.980.945.0754.85（Ti,Zr）CD0.782.643.4187.245.93—W（s,s）

2.2保温时间对钎焊接头界面组织的影响

图3为钎焊温度1040℃，保温时间分别为0，5，10，20，40min的接头界面组织的BSE照片.由图可见，整个钎焊接头的宽度随保温时间的延长而增大，但各区变化各有不同，Ⅰ区宽度基本没有变化，Ⅱ区宽度变化较小，Ⅲ区宽度在保温时间较小时，增加比较明显，随着保温时间的延长，宽度增加幅度逐渐降低.同时，随着保温时间的延长，越来越多的白色W颗粒以及黑色（Ti,Zr）C颗粒进入II区，并逐渐靠近I区，这些颗粒散布于深灰色Ti2Ni相中.

分别对不同保温时间获得的接头I区进行EDS分析，结果显示，随着保温时间的延长，Mo元素含量逐渐升高，Ti元素含量则逐渐降低，说明越来越多的Mo元素溶解到钎缝组织中.

2.3钎焊接头形成机理

通过对典型钎焊接头界面结构的分析，可将TZM/Ti-28Ni/ZrCp-W钎焊接头形成过程划分为以下3个阶段.

（1）当温度达到钎料熔点，钎料开始熔化，形成液相，熔融的钎料在TZM和ZrCp-W母材表面润湿并铺展.

（2）TZM中的Mo元素通过母材与钎料的界面，溶解到液相钎料中.由Ti-Mo二元相图可知，钼与钛可互溶，Ti-Mo合金的熔点在1670℃以上，且随着钼含量增多，熔点越来越高.随着钎焊时间的延长，钎料中钼含量越来越多，钼与钛形成的固溶体开始在界面处凝固，并形成一层凝固层.该凝固层的存在，既阻碍了钼继续溶解，也阻碍了钎缝中其它元素向TZM母材中扩散[5].这也是I区宽度随保温时间没有变化的原因.

图3钎焊保温时间对接头微观组织的影响/1040℃

Fig.3EffectofbrazingtimeoninterfacialmicrostructureofTZM/Ti-28Ni/ZrCp-Wbrazedjoints

由于试验用的ZrCp-W复合材料是采用热等静压所获得，ZrC颗粒与钨颗粒之间会存在一些微小间隙.当钎料熔化后，熔融的钎料在毛细作用下进入到ZrC与钨颗粒之间的间隙.钎料中的Ti原子与Ni原子会替代W原子，形成钨基固溶体.ZrC虽然性质相对稳定，由于ZrC是一种非化学计量化合物，在高温状态下碳会分解出来，与钛发生反应，其反应式为

ZrCx=ZrCx-1+C1

C+Ti=TiC

根据C-Ti-Zr三元相图，TiC在ZrC中有一定的固溶度，相互扩散而形成固溶体，用（Ti,Zr）C来表示[9].

钨颗粒、ZrC颗粒与液相钎料的反应，导致ZrCp-W母材溶解解体，大量进入钎料溶液中，加速了钎料与母材的反应及钎料向ZrCp-W母材的扩散.

（3）钎焊冷却过程中，随着温度降低，剩余钎料被约束在Ti-Mo固溶体层（Ⅰ区）与扩散层（Ⅲ区）中间，形成Ti2Ni层.

TZM母材为轧制片状结构，且钼易于钛互溶，当钎料熔化后，部分钼以片状形式从母材脱落进入钎料，其留下空隙被熔化的钎料填充，冷却后，在TZM靠近钎缝侧形成许多条纹状组织.

2.4钎焊接头的抗剪强度及断口分析

在室温条件下，对TZM/Ti-28Ni/ZrCp-W钎焊接头进行剪切试验，其结果如图4所示.从图中可以看出，随着保温时间的延长，抗剪强度先升高后降低，当保温10min时获得最大抗剪强度120MPa.

图4钎焊保温时间对接头抗剪强度的影响

Fig.4Shearstrengthofbrazedjoints

图5为钎焊接头的断裂路径照片，当保温时间为0min时，断裂主要发生在Ⅱ区，如图5a所示.其它保温时间所获得试件，断裂主要发生在TZM母材一侧，如图5b所示.

图5钎焊接头断裂路径（1040℃）

Fig.5Fracturepathsofbrazedjoints（1040℃）

对于保温时间为0min时，由于反应时间短，钛,镍钎料的消耗少，得到了连续的Ti2Ni层，该脆性金属间化合物层降低了钎缝的抗剪强度.随着钎焊时间的延长，反应区II的厚度降低，同时，部分钨颗粒以及（Ti,Zr）C颗粒散布在Ti2Ni层内部，对该层起到强化作用，从而使抗剪强度逐渐升高.

温度高于1000℃时，TZM合金存在晶粒长大现象，导致其强度降低.在钎焊条件下随着保温时间的延长，晶粒长大现象越来越严重，TZM成为接头的薄弱环节，其抗剪强度逐渐降低，试件断裂于TZM处.

3结论

（1）采用Ti-28Ni钎料在1040℃实现了TZM合金与ZrCp-W复合材料的真空钎焊，接头典型界面组织为TZM/TiMo/Ti2Ni/W（s,s）+（Ti,Zr）C/ZrCp-W.

（2）钎焊接头宽度随保温时间的延长而增大，其中钛固溶体层的宽度基本不变，Ti2Ni层宽度略有降低，扩散层的宽度增加较多.

（3）钎焊接头抗剪强度随保温时间的延长，先上升，再降低，保温时间10min时，接头获得最大抗剪强度值120MPa，接头断裂于TZM母材.

参考文献：

[1]付静波,杨秦莉,庄飞,等.TZM合金与纯Mo性能对比研究[J].中国钼业,2013,37（4）:

30-33.FuJingbo,YangQinli,ZhuangFei,etal.StudyofthepropertyofTZMalloycomparedwithpureMo[J].ChinaMolybdenumIndustry,2013,37（4）:

30-33.

[2]ZhaoYW,WangYJ,ChenL,etal.MicrostructureandmechanicalpropertiesofZrC-Wmatrixcompositepreparedbyreactiveinfiltrationat1300℃[J].InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2013,37:

40-44.

[3]ChanHY,ShiueRK.StudyofbrazingTi-6Al-4VandTZMalloyusingpuresilver[J].JournalofMaterialsScienceLetters,2003,22（23）:

1659-1663.

[4]ChanHY,LiawDW,ShiueRK.ThemicrostructuralobservationofbrazingTi-6Al-4VandTZMusingtheBAg-8brazealloy[J].InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2004,22

（1）:

27-33.

[5]徐庆元,李宁,熊国刚,等.钎焊工艺对钛钎焊石墨与TZM合金接头组织性能的影响[J].焊接学报,2006,27（7）:

37-40.XuQingyuan,LiNing,XiongGuogang,etal.EffectofbrazingtechnologyonstructureandpropertyofbrazedjointbetweengraphiteandTZMalloyswithTifiller[J].TransactionoftheChinaWeldingInstitution,2006,27（7）:

37-40.

[6]邹贵生,赵文庆,吴爱萍,等.Ti和Ti/Ni/Ti连接钨与铜及其合金的界面结合机制与接头强度[J].航空材料学报,2004,24（3）:

36-42.ZouGuisheng,ZhaoWenqing,WuAiping,etal.InterfacialbondingandstrengthoftungstentocopperoritsalloyjointswithTifoilandTi/Ni/Timultipleinterlayers[J].JournalofAeronauticalMaterials,2004,24（3）:

36-42.

[7]王娟,郑德双,李亚江.Mo-Cu合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢真空钎焊接头的组织性能[J].焊接学报,2013,34

（1）:

13-16.WangJuan,ZhengDeshuang,LiYajiang.MicrostructurecharacteristicsofvacuumbrazedjointforMo-Cualloywith1Cr18Ni9Tistainlesssteel[J].TransactionoftheChinaWeldingInstitution,2013,34

（1）:

13-16.

[8]SongChangbao,HePeng,LinTiesong,etal.InterfacialreactionevolutionoftheZrCceramicjointdiffusionbondedwithNiinterlayer[J].CeramicsInternational,2014,40（8）:

12999-13007.

[9]陈磊,王玉金,周玉,等.Ti对ZrC-W复合材料烧结行为和力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2008,37（A01）:

556-559.ChenLei,WangYujin,ZhouYu,etal.EffectofTiadditivesonthesinteringbehaviorandmechanicalpropertiesofZrC-Wcomposite[J].RareMetalMaterialsandEngineering,2008,37（A01）:

556-559.