简介概要

高能喷丸对工业纯钛钎焊的影响

来源期刊：稀有金属2013年第5期

论文作者：陈春焕任瑞铭王振波

文章页码：732 - 737

关键词：工业纯钛;表面自身纳米化;钎焊;

摘要：通过高能喷丸方法在工业纯钛表面制备了纳米表层,选择B-Ag40CuZnCdNi钎料对纳米化前后的纯钛进行了不同工艺的钎焊,借助微观组织分析和抗剪强度测定研究了表面自身纳米化对工业纯钛钎焊过程的影响。结果表明:用B-Ag40CuZnCdNi钎料钎焊工业纯钛时,表面自身纳米化预处理提高了母材表面的活性,促进了纯钛母材向液态钎料中的溶解,低温短时焊接时对接头性能提高有利,接头强度比未预处理时提高了13.8%。焊接温度超过650℃后,母材纳米表层的高活性使界面区的金属间化合物层增厚,接头性能反而下降;由于在焊接温度下元素的固态扩散不易进行,纳米化前处理对液态钎料中的元素向母材扩散的影响不明显;母材纳米化前处理后,钎焊时通过降低焊接温度和缩短保温时间,既可发挥纳米表层有益特性,同时避免不利影响。

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稀有金属 2013,37(05),732-737

高能喷丸对工业纯钛钎焊的影响

陈春焕任瑞铭王振波

大连交通大学材料科学与工程学院

摘要：

通过高能喷丸方法在工业纯钛表面制备了纳米表层, 选择B-Ag40CuZnCdNi钎料对纳米化前后的纯钛进行了不同工艺的钎焊, 借助微观组织分析和抗剪强度测定研究了表面自身纳米化对工业纯钛钎焊过程的影响。结果表明:用B-Ag40CuZnCdNi钎料钎焊工业纯钛时, 表面自身纳米化预处理提高了母材表面的活性, 促进了纯钛母材向液态钎料中的溶解, 低温短时焊接时对接头性能提高有利, 接头强度比未预处理时提高了13.8%。焊接温度超过650℃后, 母材纳米表层的高活性使界面区的金属间化合物层增厚, 接头性能反而下降;由于在焊接温度下元素的固态扩散不易进行, 纳米化前处理对液态钎料中的元素向母材扩散的影响不明显;母材纳米化前处理后, 钎焊时通过降低焊接温度和缩短保温时间, 既可发挥纳米表层有益特性, 同时避免不利影响。

关键词：

工业纯钛;表面自身纳米化;钎焊;

中图分类号： TG454

作者简介：陈春焕 (1970-) , 男, 辽宁台安人, 博士, 教授;研究方向:纳米材料制备与应用, 材料连接技术;任瑞铭, E-mail:rmren@djtu.edu.cn;

收稿日期：2013-04-07

基金：辽宁省教育厅计划项目 (L2012153) 资助;

Effect of High-Energy-Shot-Peening on Brazing of Commercially Pure Titanium

Chen Chunhuan Ren Ruiming Wang Zhenbo

School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University

Abstract：

A nanostructured layer was prepared on the surface of the commercially pure titanium by high-energy shot peening. Brazing with different process was carried on for the pure titanium before and after the high-energy shot peening, with B-Ag40CuZnCdNi as the filler metal. By microstructure observation and shear strength testing, the effects of the surface self-nanocrystallization on the brazing of commercial purity titanium were then investigated. The results showed that the surface activity of the base metal was improved and the dissolution of the titanium into the liquid filler metal was promoted on account of the surface self-nanocrystallization pre-treatment as B-Ag40CuZnCdNi was used for filler metal. Low temperature and short holding time were beneficial to the performance of the welded joint, and the strength of the joint was increased by 13. 8% compared with that of the as-treated joint. When welded above650 ℃, the strength of the joint decreased due to the thickening of the intermetallic compound layer in the interface zone, which was promoted by the high activity of the surface nanostructured layer of the base metal. Because of the difficulty in the solid-state diffusion at the welding temperature, the high-energy shot peening pre-treatment had limited effects on the diffusion of the filler metal. Lowering the temperature and shortening the holding time in the process of brazing after the pre-treating could not only promote the beneficial characteristics of surface nanostructured layer, but also avoid the detrimental effects.

Keyword：

commercially pure titanium; surface self-nanocrystallization (SSNC) ; brazing;

Received： 2013-04-07

表面自身纳米化技术 (SSNC) 通过反复的严重塑性变形在材料表面制备纳米层^[1]。这种纳米表层组织除了具有较高的活性和较强的吸附能力外, 由于晶界和亚结构的增多, 也为原子的固态扩散提供了大量的通道。这对于化学处理而言, 可以降低处理所需的温度和时间、提高渗入元素的浓度和深度, 不仅降低处理的成本、提高效率, 也改善了处理的效果^[2,3]。例如:对表面纳米化处理的纯铁仅在300℃下气体渗氮9 h就达到了很好的效果, 而工业上的常规方法一般温度要在480~560℃, 时间要大于20 h^[4]。对低碳钢表面纳米化后气体渗氮^[5]和离子氮化^[6,7]的研究也表明, 纳米化处理使氮化的温度降低、氮化层的厚度增加。表面纳米化对渗铝^[8]、渗铬^[9]也有同样的效果。

纳米表层的上述特点刚好对钎焊接头的形成过程有利, 液态钎料在毛细填缝过程中与母材发生复杂的物理化学作用^[10], 主要包括固态母材向液态钎料的溶解, 以及液态钎料向母材的扩散。这种相互作用的强弱不仅影响液态钎料的润湿和填缝, 也将影响母材与钎料的冶金反应, 进而对钎焊接头的组织和性能造成影响。

把表面自身纳米化技术应用于钎焊连接过程, 利用纳米表层的高活性、高吸附性和高扩散性, 有望改善液态钎料与母材之间的相互作用, 促进钎焊过程的进行。钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐蚀性好等特点, 在航空、航天领域应用广泛^[11,12], 本文以工业纯钛为母材, 经表面自身纳米化预处理后, 选择焊接温度相对较低的硬钎料进行钎焊, 研究了表面纳米化对接头组织与性能的影响。

1 实验

母材为厚度为3 mm的工业纯钛 (TA1) 板材, 钎料选用0.2 mm厚的B-Ag40Cu Zn Cd Ni片。为消除组织与性能的不均匀性, 试验前将钛板进行700℃×1 h的真空退火。

工业纯钛的表面纳米化处理用改进的QPL-30型履带式抛丸机进行, 所用弹丸为1 mm直径的CrMo钢淬火钢球。设定弹丸速度为V_a=45 m·s^-1, 喷丸时间为120 min。试件的钎焊在HZK-40型真空扩散焊炉中进行, 采用搭接的接头型式, 钎料采用“三明治法”预置。

用JSM-6360LV型扫描电镜 (SEM) 对接头在组织进行观察与分析, 并结合Oxford INCA能谱分析钎料与母材的相互扩散情况。用WE-300型液压式万能试验机测试接头的抗剪性能, 抗剪试样形状和尺寸如图1所示。

2 结果与分析

2.1 显微组织分析

对工业纯钛喷丸后的表层组织进行了SEM观察, 如图2所示。由图可以看出, 经高能喷丸120min后, 表面的剧烈塑性变形层深度约为80μm左右, 而整个变形影响区的深度大约可达500μm。由文献[13-14]可知, 用该方法实现的表面自身纳米化可在纯钛表层20μm深度内得到晶粒尺寸小于100 nm的纳米层。

图1 抗剪试样形状和尺寸Fig.1 Schematic graph of shear test specimen

图2 纳米表层的横截面形貌Fig.2 Cross-section morphology of nano-structured surface layer

用扫描电镜观察和分析了不同工艺钎焊接头的显微组织, 部分接头的显微组织照片如图3所示。原始试样的钎缝平直、均匀, 而纳米化试样由于喷丸造成了表面粗糙度的增加, 所以钎缝宽度不均匀, 连接界面弯曲。钎焊温度630℃, 保温时间2 min时, 母材晶粒无明显长大, 纳米表层的晶粒已经失稳长大 (约16μm) , 但晶粒尺寸仍明显小于内部粗晶 (约41μm) (图3 (b) ) 。在630℃下焊接, 保温时间增加到10 min, 接头的界面区仍然观察不到化合物层, 当时间增加到30 min时, 在接头的界面区开始观察到化合物层的出现, 纳米化试样的化合物层要厚于原始试样 (图3 (c, d) ) 。随着钎焊温度的升高, 保温时间2 min的条件下, 在接头的界面区都观察不到化合物层, 但温度达到650℃及以上时, 接头界面区都有化合物层存在, 同样, 在纳米化处理试样的化合物层都明显比原始试样厚 (图3 (e, f) ) 。对670℃下保温30 min的试样进行的能谱线扫描分析 (分析位置如图3 (e, f) 中虚线) 表明, 此时Cu元素向基体中扩散的很少, 但Ti在液态钎料中大量溶解, 原始试样中Ti元素在界面区的边缘相对较多 (图3 (g) ) , 而纳米化试样中Ti元素的分布贯穿整个钎缝 (图3 (h) ) 。另外, 从图3还可以看出当焊接温度提高和保温时间增加以后, 母材内部晶粒和表层纳米晶都严重长大。

2.2 接头的抗剪强度

为了使纳米晶不至于在钎焊温度下过分长大而失去纳米效应, 本文选取了B-Ag40Cu Zn Cd Ni钎料, 其熔点约为595℃左右。试验中尽量从较低的温度开始尝试, 610℃的时候钎料只有部分熔化, 不能充分完成填缝, 因此未能实现连接。温度调高到630℃后保温1 min即可以实现连接, 但接头的强度没有保温2 min时高。

图3 接头的显微组织和能谱分析Fig.3Microstructure observation and EDS analysis

(a) Original 630℃×2 min; (b) SSNC 630℃×2 min; (c) Original 630℃×30 min; (d) SSNC 630℃×30 min; (e) Original670℃×30 min; (f) SSNC 670℃×30 min; (g) Distribution of Ti in original specimen welded at 670℃×30 min; (h) Distribution of Ti in SSNCed specimen welded at 670℃×30 min

各焊接工艺试样的抗剪强度如表1所示, 由表1可以看出, 630℃×2 min工艺得到的接头强度最高, 在焊接温度相同条件下, 接头强度随保温时间的延长而下降, 在保温时间相同的条件下, 接头的强度随焊接温度的升高而下降, 由前文组织分析可知, 二者都应该与接头界面区金属间化合物的形成有关。

由表1还可以看出, 表面纳米化预处理对接头强度的影响在温度相对较低和保温时间相对较短时是有利的。如表1中所示, 630℃时, 纳米化试样的强度都高于原始试样, 650℃时, 保温时间超过10 min则纳米化试样的接头强度开始低于原始试样, 焊接温度超过650℃后表面纳米化预处理对接头强度不利。这表明高活性、高扩散性的纳米表层可促进液态钎料与母材的相互作用, 在相对低温和短时的条件下即可顺利完成焊接过程, 但温度过高和保温时间过长时, 有害相生长过多, 反而不利。

3 讨论

由Ti-Cu二元相图可知, 两种元素存在多种金属间化合物 (Ti_xCu_y等) , 钎料中的其他合金元素也与Ti能形成金属间化合物 (如Ti_xNi_y) , 这些化合物层的形成使接头的强度显著下降^[15,16,17]。因此, 用铜银钎料钎焊Ti时, 为保证接头强度, 工艺参数的选择在确保钎料有足够的流动性以完成填缝的条件下, 一般要控制好焊接温度和保温时间, 以尽量减少金属间化合物的形成^[10]。

表1 钎焊接头抗剪强度 (MPa) Table 1Shear strength of joints (MPa) 下载原图

Note:‘O’referring to original specimen, ‘N’referring to SSNCed specimen

表1 钎焊接头抗剪强度 (MPa) Table 1Shear strength of joints (MPa)

母材经表面纳米化预处理后, 由于表面活性提高, 向液态钎料中的溶解速度得到了提高, 应该可以使焊接时间缩短, 另一方面也使脆性化合物层更易形成。表明对工艺参数的要求更加苛刻, 但如果焊接参数选择合适, 可以发挥纳米表层的有利作用, 同时避免不利影响, 使接头强度得以提高。在本文所选的合金体系中, 焊接温度630℃, 保温时间2 min较为合适, 此时纳米化试样的抗剪强度比原始试样提高了13.8%。

从上述试验结果看, 表面纳米化预处理明显促进了纯钛母材与液态钎料的相互作用, 主要表现在Ti向钎料中的溶解和反应。虽然Cu在Ti中的扩散系数较高^[17], 但由于本文所选钎料的熔点和焊接温度相对较低, 在焊接温度下元素的固态扩散不易进行, 可见, 表面纳米化处理对液态钎料向母材中扩散的影响不明显。另外, 如果选择焊接温度高于750℃的钎料进行焊接, 钎焊温度超过工业纯钛的再结晶温度^[18]较多, 则纳米晶早已在焊接之前就失稳长大^[19], 失去表面纳米化预处理的意义。

此外, 表面纳米化预处理对钎焊的影响跟母材与钎料相互作用的强弱有关。如果母材与选取的钎料相互作用不明显, 则纳米化作用也不明显。当母材与选取的钎料所组成的合金体系相互作用明显, 则纳米化处理显著促进母材与钎料的相互作用, 但是, 该促进作用对连接是否有利与生成的产物类型有关, 当生成硬而脆的化合物时, 应合理控制工艺参数以降低不利影响, 当形成固溶体时, 可预见会有利于钎焊过程的进行和接头强度的提高。