激光毛化對(duì)Cf/SiC與TC4釬焊接頭組織及性能的影響

李海剛 畢建勛 馬武軍 邱金蓮 李 棟

(1 航天材料及工藝研究所，北京 100076) (2 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 200223)

(a) 低倍 (b) 高倍

(a) 低倍 (b) 高倍

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激光毛化對(duì)Cf/SiC與TC4釬焊接頭組織及性能的影響

李海剛1畢建勛1馬武軍2邱金蓮2李 棟1

(1 航天材料及工藝研究所，北京 100076) (2 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 200223)

文 摘 由于線脹系數(shù)差異大，Cf/SiC復(fù)合材料與TC4鈦合金釬焊接頭容易形成較大的內(nèi)應(yīng)力而開(kāi)裂失效。為了進(jìn)一步提高接頭強(qiáng)度，應(yīng)用激光毛化工藝在Cf/SiC表面燒蝕出微孔，采用銀基釬料對(duì)Cf/SiC與TC4進(jìn)行釬焊。焊后對(duì)接頭力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)接頭界面及斷口顯微組織進(jìn)行觀察。結(jié)果表明：焊前對(duì)Cf/SiC表面進(jìn)行激光毛化處理，釬料能夠填充微孔并形成良好的釬焊界面，能夠提高Cf/SiC與TC4釬焊接頭的剪切強(qiáng)度。

激光毛化，Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，鈦合金，釬焊

0 引言

在Cf/SiC復(fù)合材料與金屬多種焊接方法中，釬焊是一種常用的且已被成功應(yīng)用的焊接方法。目前美國(guó)、歐洲等國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Cf/SiC復(fù)合材料噴管的釬焊連接，并在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了成功應(yīng)用[1-5]。加利福尼亞大學(xué)Anthony T. Hartman等人[6]為微小型運(yùn)載器(NVL)上面級(jí)研制的3 650 N(800磅)液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Cf/SiC復(fù)合材料噴管，噴管用Cusil-ABA釬料與Inconel 625金屬環(huán)焊接連接，然后與發(fā)動(dòng)機(jī)金屬頭部焊接。EADS ST在500 N Cf/SiC復(fù)合材料噴管遠(yuǎn)地點(diǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，將 Cf/SiC-金屬連接作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[7]。目前，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[8]，但由于復(fù)合材料與金屬熱脹系數(shù)差異大，容易在焊縫內(nèi)部形成較大的殘余應(yīng)力而導(dǎo)致接頭發(fā)生破壞。

為了進(jìn)一步提高Cf/SiC復(fù)合材料與鈦合金釬焊接頭強(qiáng)度，本文利用激光打孔技術(shù)在復(fù)合材料焊接面上燒蝕一系列微孔(激光毛化工藝)，再進(jìn)行Cf/SiC復(fù)合材料與鈦合金釬焊試驗(yàn)，研究激光毛化工藝對(duì)復(fù)合材料與鈦合金釬焊接頭組織性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

Cf/SiC復(fù)合材料試樣由纖維束為三維方向編織、SiC沉積復(fù)合而成，其中纖維體積分?jǐn)?shù)為40%～45%，切割成方塊,焊接面尺寸為5.5 mm×3.6 mm，高5 mm。TC4試樣尺寸為Φ18 mm×4 mm，市售。使用AgCuTi釬料進(jìn)行釬焊。

1.2 試驗(yàn)方法

釬焊試樣分為三組，試樣狀態(tài)差別如表1所示。

表1 試樣情況

每組包括4個(gè)試樣，其中3個(gè)進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)比分析激光毛化打孔對(duì)釬焊接頭抗剪強(qiáng)度的影響，并觀察剪切斷口形貌；1個(gè)試樣進(jìn)行金相剖切，用于接頭顯微組織形貌觀察及XRD物相分析。

焊前先對(duì)復(fù)合材料焊接面進(jìn)行激光毛化打孔，打孔工藝參數(shù)為：頻率1 Hz、脈寬25 ms、電流170 A、功率50 W。將不同狀態(tài)的Cf/SiC及TC4待焊面用200#砂紙打磨光亮并用酒精清洗干凈。將膏狀銀基釬料涂覆在焊縫處，按圖1所示將試樣夾緊。使用WZQH-30真空釬焊爐進(jìn)行真空釬焊。

焊后利用FEI Quanta 200 型掃描電鏡(SEM)及配套的X射線能譜儀(EDX)對(duì)釬焊接頭顯微形貌、剪切斷口形貌進(jìn)行觀察，并對(duì)接頭組織進(jìn)行成分分析。利用XRD方法對(duì)釬縫層物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 釬焊接頭界面組織

圖2為未激光毛化的釬焊試樣接頭顯微組織照片，圖3為激光毛化后釬焊試樣接頭顯微組織照片以及毛化細(xì)孔填充情況。從圖2可以看出，釬料與復(fù)合材料形成一個(gè)較為平緩的連接界面，Ti與復(fù)合材料中的Si、C元素發(fā)生互擴(kuò)散，形成Ti-Si-C反應(yīng)物和TiC相。從圖3可以看出，釬料不僅與Cf/SiC復(fù)合材料連接界面形成反應(yīng)潤(rùn)濕，而且填充經(jīng)激光毛化作用形成的錐形孔洞。

(a) 低倍 (b) 高倍

圖2 未毛化釬焊試樣接頭顯微組織

Fig.2 Microstructure of the joints without laser roughing

對(duì)比圖2和圖3，TC4與Cf/SiC間均形成了無(wú)缺陷的釬縫層，釬縫層內(nèi)釬料與基體材料之間的反應(yīng)機(jī)制并未發(fā)生變化。由于激光毛化后在復(fù)合材料表面形成了錐形孔。在釬焊溫度下，釬料中的基體合金熔化，依靠毛細(xì)作用及其自身的流動(dòng)性，填充了錐形孔，從而在焊后形成了一個(gè)個(gè)“錐釘”。對(duì)圖3 (c)局部區(qū)域(圖4)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

位置成分/at%AgCuTiSiC其他10．692．5345．9117．1433．7302022．3728．903．0737．478．2031．1922．0329．403．8337．366．1940000100．0005026．7933．982．6133．523．09602．1040．2925．9831．630760．657．240032．12081．6757．733．48037．120

分析結(jié)果表明，激光燒蝕出的錐形孔內(nèi)壁，非光滑表面。釬料熔化后依靠毛細(xì)作用及自身流動(dòng)性，填充錐形孔，并在錐形孔內(nèi)壁形成潤(rùn)濕良好的界面。界面邊緣存在大量深灰色的Ti-Si-C塊狀物(位置6)。該界面為深灰色的Ti-Si-C(位置1)及淺灰色Ti-C相(位置2、3)。同時(shí)釬料包裹C纖維(位置4)形成一層Ti-C反應(yīng)層。其余為銀固溶體及Ti-Cu相(位置5、7、8)。

2.2 接頭剪切強(qiáng)度

第Ⅰ～I(xiàn)II組釬焊試樣剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分別為：68.3、83.0、85.7 MPa。從平均剪切強(qiáng)度對(duì)比來(lái)看：第II組試樣比第I組平均強(qiáng)度值提高了21.5%，第III組試樣比第I組試樣平均強(qiáng)度提高了25.5%。數(shù)據(jù)表明，在復(fù)合材料待焊面上進(jìn)行激光毛化打孔有利于提高釬焊接頭的剪切強(qiáng)度，試樣II與試樣III強(qiáng)度無(wú)明顯差異。

2.3 激光毛化對(duì)斷口形貌影響

圖5、圖6為未激光毛化的釬焊試樣剪切試樣斷口SEM形貌照片及XRD分析結(jié)果。

從圖5中可以看出，未進(jìn)行激光毛化的試樣剪切破壞后，在TC4斷口顯示出排列規(guī)則的凹坑。這是在剪切破壞過(guò)程中，復(fù)合材料試樣在釬縫層界面發(fā)生剝落，碳纖維從釬縫層上“拔出”而在其表面形成排列規(guī)則的“凹坑”。對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料試樣斷口XRD分析結(jié)果表明，該斷口主要由SiC及Ti-C化合物(Ti8C5、C0.93Ti)組成，進(jìn)一步確定剪切斷裂發(fā)生在復(fù)合材料與釬縫層的反應(yīng)界面處。

圖7、圖8為試樣II、III剪切斷口形貌。從圖7(a)、8(a)可以看出，剪切斷裂層依然位于復(fù)合材料與釬縫的反應(yīng)界面。在激光毛化形成的錐形孔的位置，釬料填充錐形孔形成的一系列“錐釘”。這些“錐釘”在剪切力作用下，沿復(fù)合材料與釬縫層的界面發(fā)生斷裂。對(duì)圖8(b)所示區(qū)域進(jìn)行了能譜分析，能譜曲線見(jiàn)圖9，各元素成分及其含量見(jiàn)表3。

(a) 低倍 (b) 高倍

圖7 試樣II斷口形貌

Fig.7 Fracture morphology of sample (group II)

表3 試樣II斷口區(qū)域2成分分析

結(jié)果表明，該斷裂處物相成分與釬縫層成分一致。分析認(rèn)為：由于釬縫層與“錐釘”結(jié)合力較高，因此焊縫受剪時(shí)，首先“錐釘”會(huì)擠壓復(fù)合材料表面錐形孔內(nèi)壁。錐形孔一側(cè)受到擠壓，另一側(cè)則與“錐釘”連接界面受拉；當(dāng)剪切力達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，“錐釘”在受力方向一側(cè)與錐形孔內(nèi)壁脫落開(kāi)裂[圖7(b)、8(b)、8(c)箭頭所示]，導(dǎo)致復(fù)合材料與釬縫層間形成錯(cuò)位，之后發(fā)生碳纖維從釬縫層界面上脫落，最終發(fā)生剪切破壞。破壞方式包括“釘狀物”與釬縫層間剪切斷裂[圖7(b)、8(b)]、或者“釘狀物”脫落[圖8(c)]，以及復(fù)合材料與釬縫層間的剪切斷裂。與未進(jìn)行激光毛化的試樣相比，激光毛化后試樣釬焊形成的“釘狀物”，在剪切測(cè)試過(guò)程中承受了較大的剪切力，起到了“扎釘”作用，從而提高了接頭的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)未毛化的復(fù)合材料與AgCuTi釬料間形成一個(gè)較為平緩的連接界面。而毛化后的試樣在焊后釬料填充復(fù)合材料表面激光毛化孔洞并發(fā)生冶金反應(yīng)，形成"錐釘"型界面。

(2)釬焊過(guò)程中，釬料中的Ti與復(fù)合材料中的Si、C元素發(fā)生互擴(kuò)散，在復(fù)合材料表面形成Ti-Si-C反應(yīng)層和TiC相。

(3)剪切試樣斷口形貌表明，釬料填充毛細(xì)孔洞后，形成一定的“扎釘”作用。在本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，能夠提高接頭的剪切強(qiáng)度21.5%～25.5%。

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Influence of Laser Roughing Technology on Microstructure and Properties of Cf/SiC-TC4 Brazing Joints

LI Haigang1BI Jianxun1MA Wujun2QIU Jinlian2LI Dong1

(1 Aerospace Research Insitute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076) (2 Shanghai Institute of Space Propulsion, Shanghai 200233)

Micro-holes were ablated on the brazing sureface of Cf/SiC CMCs by laser roughing technology. And the Cf/SiC-TC4 brazing joint was achieved by Ag-based filler. Then mechanical properites were tested, the microstructure of the joints and the shear fracture were observed. The results show that, the filler can filled the micro-holes, and the shearing strength of the joints were enhanced.

Laser roughing technology, Cf/SiC CMCs, Titanium, Brazing

2016-12-05

李海剛,1972年出生,碩士，高級(jí)工程師，主要從事真空釬焊、擴(kuò)散焊研究工作。E-mail:lhg703@sina.com

TG454

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.008