中間層厚度對銀與07Cr16Ni6高強不銹鋼接觸反應釬焊的影響

（西安航天發(fā)動機有限公司，陜西西安710100）

0 前言

銀具有優(yōu)異的導熱性和塑性，常作為防碰磨材料用于液體火箭發(fā)動機的液氧環(huán)境中，但因其強度低，無法單獨用于工況要求較高的承載結構件。馬氏體高強不銹鋼具有良好的綜合力學性能，尤其是低溫韌性、抗拉強度、焊接性能和機械加工性能均良好，常用于液體火箭發(fā)動機重要承載結構件[1]。馬氏體高強不銹鋼與銀的復合結構兼具高強度和防碰磨功能，可用于液氧環(huán)境中。目前，涉及銀與不銹鋼異種材料的連接方法有氬弧焊堆焊、爆炸焊等[2-3]，氬弧焊堆銀工藝生產效率低，銀層內部缺陷多，且銀與不銹鋼基體間的結合力差；爆炸焊接過程中由于炸藥產生的高溫、高壓作用會對銀金屬造成一定的損傷，產品變形大，銀表面常出現局部燒蝕，此外，爆炸焊對產品結構要求高。

釬焊是一種借助中間層材料產生的液相與母材之間冶金反應，在加壓（或不加壓）條件下通過原子相互擴散的共同作用來實現連接的工藝方法，對于一些結構復雜或需大面積焊接的結構件具有獨特優(yōu)勢，因此廣泛應用于航空航天領域[4-6]，但目前尚未有關于采用釬焊來實現銀與馬氏體高強不銹鋼連接的報道。本研究在銀與高強不銹鋼之間添加Cu中間層，通過Ag-Cu在釬焊條件下發(fā)生接觸反應生產液相，來實現銀與高強不銹鋼的連接。

1 試驗材料及方法

采用厚度3mm的07Cr16Ni6鋼與尺寸為10mm×10mm×10 mm的銀塊開展釬焊試驗，07Cr16Ni6鋼化學成分如表1所示，銀塊雜質含量≤1%。使用金相砂紙對07Cr16Ni6鋼及銀塊待釬焊部位進行拋光，去除試板表面機械加工產生的橫紋和毛刺，并在07Cr16Ni6鋼表面電鍍不同厚度的Cu中間層，其厚度如表2所示。對銀塊進行酸洗，去除表面的氧化物及油污。

表1 07Cr16Ni6鋼化學成分Table 1 07Cr16Ni6 steel composition %

表2 Cu中間層厚度Table 2 Cu interlayer thickness

Cu中間層鍍覆后，將銀塊及07Cr16Ni6鋼試板裝配在一起，如圖1所示，為了保證銀塊與高強不銹鋼板充分接觸，采用工裝夾緊。將裝配好的試驗件放入真空釬焊爐中，對爐膛抽真空，待爐膛真空度達到1×10-2Pa時開始加熱，待爐膛溫度達到880℃時，開始保溫，保溫時間30 min；保溫結束后停止加熱，試驗件隨爐冷卻至室溫。取出試驗件，觀察銀與07Cr16Ni6鋼釬縫外觀及界面形貌，并通過剪切試驗測試釬焊接頭強度。

圖1 銀/鋼釬焊試驗件結構示意Fig.1 Schematic diagram of silver/steel brazing test piece

2 結果與討論

銀與07Cr16Ni6高強不銹鋼釬焊試驗件外觀照片如圖2所示。可以看出，采用不同厚度Cu作中間層均實現了銀與高強不銹鋼的釬焊連接，釬角部位存在明顯的Ag-Cu共晶組織。隨著中間層厚度的增加，釬縫釬角變得飽滿，當中間層厚度達到40 μm時，銀基體出現明顯的熔蝕現象。根據Ag-Cu二元合金相圖可知，銀-銅共晶溫度為779℃，共晶點含銀量約為72%。在釬焊過程中，隨著溫度的升高，Ag基體與Cu鍍層之間會進行相互擴散，沿擴散方向將會形成不同的Ag-Cu濃度梯度，當溫度達到共晶點后，成分濃度接近共晶點區(qū)域會首先發(fā)生接觸反應，形成液相共晶組織，在其界面處會生成液相，并隨之發(fā)生固態(tài)銀向液相中溶解現象[7]。此時，釬縫界面不僅存在固態(tài)Cu與Ag原子的相互擴散，同時還有銀與銅的冶金反應生成液相的過程、固態(tài)Cu與Ag原子向Ag-Cu共晶液相中的溶解及Ag-Cu共晶液相向Ag及Cu固相中的擴散過程。隨著保溫時間的延長，液態(tài)金屬量逐漸增多。

銀與07Cr16Ni6高強不銹鋼釬焊試驗件截面形貌如圖3所示。1#接頭內部存在多處未焊合缺陷，2#和3#接頭界面連續(xù)致密，4#接頭銀基體邊緣存在熔蝕缺陷。分析認為，當Cu中間層厚度為10 μm時，厚度偏薄，釬焊過程中無法生成足夠的液相填充界面，界面處存在多處未焊合；當Cu中間層厚度增大到20 μm時，銀與銅中間層反應充分，生成的液相足以填充界面，同時未造成銀基體熔蝕，銀與高強不銹鋼形成可靠的釬焊連接；Cu中間層厚度增加到40 μm時，釬焊過程中生成的液相偏多，在釬焊加壓條件下，過多的液相被擠出，堆積在釬角處，造成銀基體熔蝕。

銀與07Cr16Ni6高強不銹鋼釬焊試驗件界面線掃描如圖4所示。可以看出，銅中間層主要向銀基體側擴散，隨著Cu中間層厚度的增加，Cu向銀基體的擴散深度分別為80μm、120μm、150μm及250μm；而Cu向07Cr16Ni6不銹鋼內的擴散很淺，僅幾微米。這是因為根據Fe-Cu二元合金相圖，鐵與銅在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，當銅向鐵散時，形成有限溶解的固溶體。

圖2 銀與07Cr16Ni6不銹鋼釬縫外觀形貌Fig.2 Appearance of silver and 07Cr16Ni6 stainless steel brazing joint

圖3 銀與07Cr16Ni6不銹鋼釬縫截面形貌Fig.3 Cross section morphology of silver and 07Cr16Ni6 stainless steel brazing joint

銀與07Cr16Ni6高強不銹鋼釬焊接頭抗剪強度測試結果如圖5所示。當中間層厚度為10μm時，由于釬焊過程中接觸反應生成的液相量不足，釬縫內部存在未焊合缺陷，接頭強度僅為65 MPa，接頭斷于釬縫處；中間層厚度增加至20 μm和30 μm時，接頭抗剪強度分別達到131 MPa和133 MPa，接頭均斷于銀基體處；中間層厚度為40 μm時，釬焊接頭強度降至84 MPa，接頭斷于釬縫處，這與釬焊過程生成的液相偏多而產生熔蝕缺陷有關。

3 結論

采用Cu作為中間層實現了銀與高強不銹鋼接觸反應釬焊，通過對接頭進行微觀組織分析和力學性能檢測，得出以下結論：

圖4 銀與不銹鋼釬縫界面線掃描結果Fig.4 Interface line scanning results of silver and stainless steel brazing joint

圖5 釬焊接頭抗剪強度與中間層厚度的關系Fig.5 Relationship between the shear strength of brazing joint and the thickness of interlayer

（1）在合適的中間層厚度下，銀與高強不銹鋼通過接觸反應釬焊可實現有效連接，界面連續(xù)致密，接頭強度可達131 MPa，接頭斷于銀基體處。

（2）隨著中間層厚度的增加，Cu向銀基體的擴散深度增加。