银基钎料活性钎焊C/SiC

银基钎料活性钎焊C/SiC-Ti55与Al2O3-Ti55接头界面组织

沈元勋1， 李正林2， 郝传勇2， 张劲松2， 龙伟民1

(1. 郑州机械研究所 新型钎焊材料与技术国家重点试验室,郑州 450001;2. 中国科学院金属研究所 沈阳先进材料研究发展中心，沈阳 110016)

摘 要： 以Ag-28Cu和Ag-9Pd-9Ga两种银基钎料钎焊C/SiC复合材料和Al2O3陶瓷与Ti55钛合金接头，考察了钎料和钎焊工艺对接头焊缝组织形貌变化影响. 结果表明，采用Ag-28Cu钎料在850～920 ℃温度区间钎焊C/SiC-Ti55和Al2O3-Ti55接头均在陶瓷基体近钎焊界面区域开裂，原因为Ti55合金中Ti元素大量溶解扩散并与铜反应生成的大量脆性Cu-Ti化合物恶化焊缝塑性. Ag-9Pd-9Ga钎料则可以获得完整接头，钎焊过程中Pd,Ga元素在Ti55侧钎焊界面富集并与Ti元素反应生成PdTi, Ti2Ga, Ti4Pd化合物的反应层，有效抑制了元素往焊缝中的溶解扩散.

关键词： C/SiC复合材料；Al2O3陶瓷；钛合金；界面组织；扩散

0 序 言

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量、高热导率、优异的高温力学性能和抗氧化性能等诸多特点，是一种将热防护、结构承载和防氧化结合一体的先进复合材料[1-2]. 目前，C/SiC复合材料在太空往返系统的防热结构、卫星姿控发动机、火箭发动机推力室以及刹车盘、高温气体过滤和热交换等领域都有广阔的应用前景[3-4]. 钛合金是目前航空航天发动机、涡轮发动机燃烧室等高温部件的主要结构材料[5]. 因此，开展C/SiC与钛合金的连接技术，对发挥这些高温材料性能优势具有重要意义.

目前，文献报道采用AgCuTi[6-8]、镍基非晶[9],钛基非晶[10]等钎焊C/SiC与钛合金，接头强度普遍不高，接头存在以下共性问题:①C/SiC与钛合金存在较大的热膨胀系数差异，如何有效缓解接头残余热应力；②钎焊过程中钛大量溶解且易与钎料发生反应形成Ti-Ni,Ti-Cu等化合物，这种合金化很大程度上恶化焊缝组织从而降低接头性能. 如何有效控制接头合金元素的剧烈反应，保持焊缝良好的塑性对接头强度有重要作用.

基于以上所述，文中针对液相渗硅法制备C/SiC复合材料，采用Ag-28Cu钎料和Ag-9Pd-9Ga钎料钎焊C/SiC,Al2O3与Ti55合金，研究了钎料成分和钎焊工艺对接头界面组织与形貌的影响，探索以氧化铝陶瓷为中间层活性钎焊高性能C/SiC复合材料与钛合金接头制备的技术途径.

1 试验方法

试验采用液相渗硅法制备的2-D针刺C/SiC复合材料，表观密度为2.2 g/cm3. 钛合金Ti-55化学成分为Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd. C/SiC和Ti55样品尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，其中C/SiC试样表面采用磁控溅射法镀钛膜，厚度10 μm. 采用尺寸为6.2 mm×6.2 mm×2 mm的Mo-Mn金属化Al2O3陶瓷，焊接表面电镀5 μm厚度镍层. 所用银基钎料为Ag-28Cu和Ag-9Pd-9Ga，使用厚度200 μm. Ag-28Cu钎料钎焊在高真空中进行，Ag-9Pd-9Ga钎料钎焊在高纯氩气保护气氛中进行. 钎焊过程中接头样品顶部施加重块.

将钎焊接头切割、镶嵌后研磨、抛光，采用日立扫描电子显微镜(SEM，S3400，Hitachi)观察接头界面形貌，采用英国牛津产电子能谱仪(EDS，Inca，Oxford)分析接头界面选区化学成分. 采用日本理学X射线衍射仪分析界面反应产物的相组成.

2 试验结果与讨论

2.1 C/SiC/Ag28Cu/Ti55接头界面形貌

试验考察了920,880,850 ℃钎焊温度下，Ag-28Cu钎焊C/SiC-Ti55接头界面形貌. 结果发现，在850～920 ℃温度区间钎焊接头界面均开裂，如图1所示. 可以看出，850和880 ℃钎焊接头裂纹发生在C/SiC基体内部，随钎焊温度升高至920 ℃，开裂位置逐渐靠近C/SiC侧钎焊界面，裂纹方向均与焊缝平行. 从图1a,b可以看出，C/SiC侧钎焊界面形成明显反应层，该反应层与C/SiC和钎料均实现紧密结合. 850 ℃钎焊接头Ti55侧反应层厚度25～30 μm，生成Cu2Ti/Cu3Ti2/TiCu化合物. 钎焊温度升高至880 ℃，反应层长大至60 μm，产物为Cu2Ti/TiCu/Ti2Cu. 钎焊温度升高至920 ℃，母材中钛的溶解、扩散加剧，铜几乎完全与钛反应消耗，焊缝转变为TiCu+Ti2Cu.

图1 C/SiC-Ti55接头界面形貌

Fig.1 Microstructure of C/SiC-Ti55 brazed joints

2.2 Al2O3/Ag-28Cu/Ti55接头界面形貌

采用Ag-28Cu钎焊的Al2O3-Ti55接头界面存在类似的问题. 920 ℃钎焊的Al2O3-Ti55接头界面形貌如图2所示，焊缝基体为TiCu+Ti2Cu. 接头钎角处陶瓷内部产生裂纹，陶瓷近焊缝区出现平行于焊缝方向的裂纹. 由于钛的活性，AgCu钎料与钛合金钎焊时，钛向钎料中溶解扩散与铜发生剧烈反应，生成大量Ti-Cu化合物[6-8]. 这种合金化使焊缝硬化，导致残余应力无法有效缓解，接头在陶瓷近界面区域开裂.

图2 Al2O3-Ti55接头界面形貌

Fig.2 Microstructure of Al2O3-Ti55 joint

2.3 C/SiC/Ag9Pd9Ga/Ti55接头界面形貌

图3为Ag-9Pd-9Ga钎料920 ℃钎焊C/SiC-Ti55接头界面形貌. 可以看出，接头界面形貌有较大改善，接头完整、无裂纹. 焊缝组织为Ag(Ga)固溶体组织上分布PdGa化合物. C/SiC侧界面形成约5 μm反应层，能谱分析表明点1成分为39.3Ti-14.4Si-22C,说明钛与SiC反应生成TiC和TiSi化合物. 标记2区成分54.4Ti-28.2Pd-15Ga，表明Pd,Ga在C/SiC钎焊界面富集并与Ti元素反应. Ti55侧界面形成约20 μm反应区，能谱分析表明Ti,Pd,Ga元素含量较高(图4),Pd,Ga元素在界面富集. 以上分析表明，Pd,Ga元素与Ti元素表现出强烈的偏聚现象并与Ti元素在钎焊界面反应生成化合物，有效抑制了Ti元素向焊缝的溶解、扩散. 焊缝未形成明显Ti元素基化合物，保持均匀的塑性钎料组织.

图3 C/SiC-Ti55界面形貌

Fig.3 Microstructure of C/SiC-Ti55 joint

图4 针料/Ti55侧界面元素线扫描分布

Fig.4 EDS element distribution across braze/Ti55 interface

2.4 Al2O3/Ag9Pd9Ga/Ti55接头

图5为Ag-9Pd-9Ga钎料920 ℃钎焊Al2O3-Ti55接头界面形貌. 接头钎焊界面结合完好，焊缝组织为Ag(Ga)+PdGa. 接头Al2O3侧界面形成明显反应层A，化学成分为45.3Ga-37.4-Ni-17.3Pd，应为(Ni,Pd)Ga化合物，表明Ga, Pd元素扩散进入Al2O3表面镍层. Ti55侧形成明显反应区，XRD分析(图6)表明产物为PdTi, Ti2Ga, Ti4Pd. 结合图7能谱分析结果，紧邻钎料的灰色层状组织(点3,4,5)应为PdTi+Ti2Ga组织；深色层状组织(点6,7)为Ti2Ga；紧邻Ti55反应层(点8,9)为Ti4Pd.

图5 Al2O3-Ti55接头界面形貌

Fig.5 Microstructure of Al2O3-Ti55 joint

图6 钎料与Ti55钎焊界面反应层XRD分析图谱

Fig.6 X-Ray diffraction pattern of reaction layer at Ti55/braze interface

图7 钎料与Ti55界面区域能谱分析结果(图5c标记)

Fig.7 The EDS analysis results of marked region at braze/Ti55 interface

以上分析表明Ag-9Pd-9Ga钎焊Al2O3与Ti55同样可以获得完好界面结合接头，Pd,Ga元素在Ti55侧界面富集并与Ti元素发生反应形成PdTi, Ti2Ga,Ti4Pd化合物，有效抑制了Ti元素往焊缝中的溶解扩散，焊缝未形成富钛相.

4 结 论

(1) 采用Ag-28Cu和Ag-9Pd-9Ga钎料在溅射钛膜的C/SiC基体上润湿性均较好，Ti元素与SiC反应生成TiC和TiSi化合物反应层，界面形成冶金结合. 然而，采用Ag-28Cu钎料钎焊C/SiC-Ti55和Al2O3-Ti55接头，钎焊过程中Ti元素溶解扩散并与钎料中Cu元素反应，生成大量CuTi化合物，接头在陶瓷基体近钎焊界面区域开裂.

(2) Ag-9Pd-9Ga在溅射钛膜C/SiC表面润湿较好，Ti元素一方面与SiC反应使接头形成良好界面结合；另一方面与钎料中Pd,Ga元素在界面富集、反应. Ti与Pd,Ga元素表现出较强的化学亲和力.

(3) Ag-9Pd-9Ga钎料钎焊C/SiC-Ti55和Al2O3-Ti55接头，钎料中Pd,Ga元素在Ti55侧界面富集并与Ti元素反应PdTi,Ti2Ga,Ti4Pd化合物，反应层有效抑制了Ti元素往焊缝中的溶解扩散，焊缝无明显化合物，保持钎料原始组织特点，接头界面完整.

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收稿日期： 2015-11-24

基金项目： “国家国际科技合作计划项目”(2015DFA50470); 高档数控机床与基础制造装备科技重大专项课题 (2014ZX04001131)

中图分类号： TG 454

文献标识码： A

doi：10.12073/j.hjxb.20151124002

作者简介： 沈元勋，男，1981年出生，博士，高级工程师. 主要从事新材料钎焊及先进连接技术方面研究工作发表论文30余篇. Email: [e-mail]