晶須增強(qiáng)Ag-18Cu復(fù)合釬料釬焊氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷接頭組織試驗(yàn)研究*

□ 呂 謙

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

1 研究背景

氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)陶瓷具有高熔點(diǎn)、高硬度、高韌性、耐腐蝕、韌性好等特點(diǎn),成為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷中應(yīng)用潛力較大的材料之一[1]。在實(shí)際應(yīng)用中,由于陶瓷材料加工性差,需要將簡(jiǎn)單構(gòu)件進(jìn)行連接才能制備出滿足要求的復(fù)雜構(gòu)件,因此能否制備優(yōu)良焊接接頭成為ZTA陶瓷進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一[2]。

ZTA陶瓷中主要存在氧化鋁和氧化鋯兩相,對(duì)于氧化鋁陶瓷及氧化鋯陶瓷的連接,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多年研究,連接技術(shù)已經(jīng)比較成熟。實(shí)現(xiàn)氧化物類陶瓷連接的方法有粘接連接、固相擴(kuò)散連接、超聲連接釬焊等,其中釬焊是最常用的方法之一。采用金屬釬料釬焊陶瓷，易出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題:① 接頭易生成連續(xù)的脆性金屬間化合物,會(huì)降低接頭的連接質(zhì)量[3];② 接頭在高溫下容易發(fā)生軟化,而且由于接頭含有活性金屬元素,高溫下易發(fā)生氧化[4-5];③ 陶瓷與金屬的線膨脹系數(shù)相差較大,接頭處會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,降低接頭的機(jī)械性能[6]。

針對(duì)陶瓷釬焊接頭中的連續(xù)脆性反應(yīng)層,常采用優(yōu)化釬焊工藝的手段進(jìn)行控制。針對(duì)釬料中活性金屬元素氧化問(wèn)題,一般通過(guò)提高釬焊環(huán)境真空度或采用空氣釬焊法進(jìn)行解決。在采用空氣釬焊法時(shí),不需要擔(dān)心所采用釬料的組成元素在高溫下發(fā)生氧化,相反某些元素的氧化過(guò)程還會(huì)更加有利于釬焊接頭的形成[7]。陶瓷空氣釬焊接頭的耐高溫能力一般要明顯優(yōu)于常規(guī)真空釬焊接頭。針對(duì)陶瓷釬焊接頭的殘余應(yīng)力,現(xiàn)多采用在釬料內(nèi)添加增強(qiáng)相來(lái)調(diào)節(jié)釬縫線膨脹系數(shù)進(jìn)行緩解[8]。

2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料選用含氧化鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的ZTA陶瓷、Ag-18Cu粉末釬料和硼酸鋁晶須。ZTA陶瓷克服了氧化鋁陶瓷本身脆性大的缺點(diǎn),因氧化鋯的加入而顯著改善韌性。ZTA陶瓷母材的掃描電鏡照片如圖1所示,其中，黑色基底為氧化鋁,呈彌散分布白色點(diǎn)狀物為氧化鋯。試驗(yàn)采用內(nèi)圓切割機(jī)、600目和1000目金剛石砂輪盤(pán)、超聲清洗器、箱式馬弗爐、帶能譜儀掃描電鏡、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備。

▲圖1 ZTA陶瓷母材掃描電鏡照片

3 試驗(yàn)方法

采用晶須增強(qiáng)的Ag-18Cu復(fù)合釬料空氣釬焊ZTA陶瓷,通過(guò)對(duì)比分析復(fù)合釬料成分及釬焊工藝參數(shù)對(duì)接頭微觀組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律,優(yōu)化復(fù)合釬料及接頭連接工藝。

為了更好地篩選出合理的晶須量,縮小試驗(yàn)范圍,提高試驗(yàn)效率,需要提前進(jìn)行潤(rùn)濕試驗(yàn)。將ZTA陶瓷片表面打磨，并經(jīng)過(guò)超聲清洗,然后將含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、15%晶須的Ag-18Cu粉末釬料放置在ZTA陶瓷片表面中心，連同ZTA陶瓷片一起放入箱式馬弗爐。設(shè)定溫度為1 050 ℃,持續(xù) 10 min，待加熱完成并冷卻至室溫后取出,觀察釬料鋪展及潤(rùn)濕情況。

進(jìn)行釬焊接頭試驗(yàn)時(shí),待爐溫冷卻至室溫，將試驗(yàn)件取出,用掃描電鏡及其附帶的能譜儀對(duì)釬焊接頭界面、斷口組織形貌、釬焊接頭組成元素等進(jìn)行分析。試驗(yàn)中,改變兩個(gè)主要釬焊工藝參數(shù)，即釬焊溫度和保溫時(shí)間,采用微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及專用夾具對(duì)釬焊好的試驗(yàn)件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試。通過(guò)所得測(cè)試數(shù)據(jù)，總結(jié)工藝參數(shù)和釬焊接頭抗剪強(qiáng)度變化的關(guān)系。

4 晶須含量對(duì)釬料潤(rùn)濕和鋪展性能的影響

釬料中晶須的加入有利于減小釬料線膨脹系數(shù),同時(shí)，由于作為各向異性材料的晶須自身性能優(yōu)異,加入晶須可以提高釬焊接頭的強(qiáng)度[9]。但另一方面，加入晶須這種難容相會(huì)降低液態(tài)釬料的流動(dòng)性,不利于液態(tài)釬料在陶瓷表面的潤(rùn)濕鋪展和形成致密接頭。因此,研究復(fù)合釬料中晶須含量對(duì)釬料在ZTA陶瓷表面潤(rùn)濕鋪展性能的影響，實(shí)現(xiàn)復(fù)合釬料成分初步優(yōu)化，是獲得優(yōu)質(zhì)ZTA陶瓷釬焊接頭的前提。通過(guò)潤(rùn)濕試驗(yàn),可以對(duì)晶須加入量進(jìn)行篩選和優(yōu)化。

不同晶須含量Ag-18Cu釬料潤(rùn)濕和鋪展情況照片如圖2所示。

▲圖2 Ag-18Cu釬料潤(rùn)濕和鋪展情況照片

由圖2可知,隨著晶須的增加,釬料潤(rùn)濕狀況逐漸變差。當(dāng)晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),Ag-18Cu復(fù)合釬料熔化后在陶瓷表面能夠潤(rùn)濕,且鋪展?fàn)顟B(tài)相對(duì)良好。當(dāng)晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),Ag-18Cu復(fù)合釬料熔化狀態(tài)一般,鋪展不良。當(dāng)晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),Ag-18Cu復(fù)合釬料熔化狀況較差,基本無(wú)鋪展。由試驗(yàn)及分析可以篩選得到晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，Ag-18Cu復(fù)合釬料潤(rùn)濕和鋪展性能最好[10]。

5 釬焊接頭分析

5.1 釬焊溫度對(duì)接頭組織形貌的影響

為了確定釬焊溫度對(duì)接頭組織的影響,在保溫時(shí)間為5 min、晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的前提下,改變釬焊溫度,研究釬焊溫度對(duì)接頭組織的影響。不同釬焊溫度、保溫時(shí)間為5 min時(shí)的釬焊接頭組織形貌照片如圖3所示。

由圖3可以看出,三種釬焊溫度下釬焊接頭組織中均或多或少有反應(yīng)殘余的晶須，即黑色細(xì)長(zhǎng)條狀物。當(dāng)釬焊溫度為1 025 ℃時(shí),母材與釬料界面平整,無(wú)明顯的釬料與母材反應(yīng)產(chǎn)物。黑色半連續(xù)不規(guī)則相是晶須反應(yīng)殘留,它的存在使釬料中的氧化銅相變得不連續(xù),反應(yīng)后殘留的相對(duì)完整的晶須穿插在基底內(nèi)部。當(dāng)釬焊溫度提高到1 050 ℃后,母材與釬料界面明顯變得曲折,釬縫中有大量晶須殘留,且晶須及晶須反應(yīng)過(guò)后的不規(guī)則深色相使原本較為連續(xù)的氧化銅相變得不連續(xù),同時(shí)，周邊存在銀相,原因可能為氧化銅容易向晶須位置偏聚,使原本的連續(xù)性被打破。當(dāng)釬焊溫度達(dá)到1 075 ℃后，母材界面呈樹(shù)枝狀伸入釬料層中。由于此時(shí)溫度較高,僅剩個(gè)別體積較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的晶須可見(jiàn),其余均反應(yīng)生成深色不規(guī)則相[11]。

▲圖3 不同釬焊溫度、保溫時(shí)間5min時(shí)釬焊接頭組織形貌照片

綜上所述,釬焊溫度為1 050 ℃時(shí)，母材與Ag-18Cu釬料的連接狀態(tài)及晶須的存在數(shù)量最令人滿意,因此，1 050 ℃為最佳釬焊溫度。

5.2 保溫時(shí)間對(duì)接頭組織形貌的影響

將釬焊溫度控制在1 050 ℃,改變保溫時(shí)間,研究保溫時(shí)間對(duì)接頭組織形貌的影響。釬焊溫度為1 050 ℃,不同保溫時(shí)間時(shí)的釬焊接頭組織形貌照片如圖4所示。

由圖4可以看出,保溫時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)釬焊接頭組織的影響規(guī)律與焊接溫度升高相似,只是程度稍弱。保溫時(shí)間為2 min時(shí)，釬料與母材交界處相對(duì)平整,存在比較完整的黑色細(xì)長(zhǎng)條狀晶須,與晶須相連的深色不規(guī)則相是晶須反應(yīng)物,彌散分布在氧化銅基體上,周邊伴有小塊狀白色銀相。當(dāng)保溫時(shí)間為5 min時(shí),母材與釬料交界處變得崎嶇,團(tuán)絮狀深色不規(guī)則相彌散分布在釬縫中,銀基體和氧化銅基體被割裂成面積更小的區(qū)域,晶須的反應(yīng)殘留使反應(yīng)物層連續(xù)性變差,高倍鏡視野內(nèi)可以觀察到幾條長(zhǎng)度較短、寬度較窄的棒狀晶須。保溫時(shí)間延長(zhǎng)到10 min后,晶須易與氧化銅發(fā)生反應(yīng),保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不利于晶須保留，視野內(nèi)基本不見(jiàn)完整晶須。在釬料與母材交界處，母材伸入釬料中。同時(shí)可見(jiàn)深色大面積不規(guī)則形狀的晶須反應(yīng)物,說(shuō)明釬焊溫度為1 050 ℃、保溫時(shí)間為10 min時(shí),晶須很難留存,基本全部反應(yīng)殆盡。

▲圖4 釬焊溫度1050℃、不同保溫時(shí)間時(shí)釬焊接頭組織形貌照片

綜上所述,釬焊溫度設(shè)定為1 050 ℃,保溫時(shí)間為5 min時(shí),晶須殘留及與母材發(fā)生反應(yīng)的晶須量均相對(duì)適中,因此5 min為最佳保溫時(shí)間。

5.3 工藝參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

Ag-18Cu釬料中加入晶須后,不同工藝參數(shù)下釬焊接頭的剪切強(qiáng)度如圖5所示。

▲圖5 不同工藝參數(shù)下釬焊接頭剪切強(qiáng)度

由圖5可以看出,當(dāng)釬焊溫度為1 050 ℃、保溫時(shí)間為5 min時(shí)，Ag-18Cu釬料中晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%得到的試驗(yàn)件剪切強(qiáng)度最高,說(shuō)明釬焊溫度1 050 ℃、保溫時(shí)間5 min是最優(yōu)工藝參數(shù)組合。釬焊溫度為1 050 ℃、保溫時(shí)間為5 min時(shí)的釬焊接頭斷口組織形貌照片如圖6所示。

由圖6可以看出,釬焊試驗(yàn)件釬縫中存在數(shù)目可觀的晶須,能夠以較為完整的形態(tài)對(duì)釬焊接頭進(jìn)行增強(qiáng),使接頭熱膨脹系數(shù)減小,進(jìn)而緩解殘余應(yīng)力。即使釬縫在接頭殘余應(yīng)力作用下在脆性層中產(chǎn)生裂紋，或接頭在受載過(guò)程中在釬縫中產(chǎn)生裂紋,也會(huì)由于晶須的牽拉作用而延緩或阻止進(jìn)一步擴(kuò)展。晶須反應(yīng)物使原本連續(xù)的相變?yōu)殚g斷,基于裂紋在非連續(xù)相上擴(kuò)散困難的原理,同樣會(huì)阻止裂紋擴(kuò)展,從而使釬焊接頭剪切強(qiáng)度大幅提高。其它工藝參數(shù)組合中,釬焊溫度為1 025 ℃、保溫時(shí)間為5 min時(shí)，晶須反應(yīng)物少,反應(yīng)物層連續(xù),裂紋組合擴(kuò)展迅速,釬焊接頭強(qiáng)度不佳。保溫時(shí)間為10 min時(shí)，較為完整的晶須殘留極少,缺少了晶須本身對(duì)接頭的增強(qiáng)作用,剪切強(qiáng)度也較低[12]。

釬焊接頭斷口背散射掃描照片中，白色顆粒狀相為銀,在接頭中斷續(xù)分布?；疑灰?guī)則相為氧化銅,其分布被黑色相間隔為非連續(xù)形態(tài)。黑色團(tuán)絮狀相為晶須與釬料反應(yīng)物,氧化銅的分布有向其偏聚的趨勢(shì),兩者的合相周邊常常伴有點(diǎn)狀銅相存在[13]。觀察二次掃描照片，斷口中有彌散的銀,說(shuō)明斷裂位置很有可能在釬縫內(nèi)部。

▲圖6 釬焊溫度1050℃、保溫時(shí)間為5min時(shí)釬焊接頭斷口組織形貌照片

6 結(jié)束語(yǔ)

在Ag-18Cu釬料中加入較大量晶須，會(huì)使Ag-18Cu釬料流動(dòng)性變差,黏度增大,導(dǎo)致Ag-18Cu釬料潤(rùn)濕和鋪展?fàn)顩r不良,并且隨晶須加入量的增大有逐漸變差的趨勢(shì),這不利于形成優(yōu)良的釬焊接頭。由此可見(jiàn)，即使晶須有增強(qiáng)效果,但也不能過(guò)量添加,通過(guò)潤(rùn)濕試驗(yàn)篩選出合理的晶須含量為5%。

加入晶須后，釬焊溫度為1 075 ℃、保溫時(shí)間為5 min，或釬焊溫度為1 050 ℃、保溫時(shí)間為10 min時(shí),釬縫中形態(tài)較為完整的晶須所剩無(wú)幾,通過(guò)反應(yīng)消耗完畢。通過(guò)觀察掃描照片確認(rèn)，氧化銅向黑色細(xì)長(zhǎng)條狀晶須分布的位置聚集,周邊分布點(diǎn)狀銀相。晶須與氧化銅反應(yīng)產(chǎn)物彌散分布,使氧化銅相原本連續(xù)分布的形態(tài)被打亂,變?yōu)殚g斷。

對(duì)比未添加晶須的相同工藝參數(shù)試驗(yàn)件,加入晶須的試驗(yàn)件剪切強(qiáng)度均有不同幅度提高。釬焊溫度為1 050 ℃、保溫時(shí)間為5 min時(shí)，試驗(yàn)件的剪切強(qiáng)度最優(yōu),達(dá)到49.10 MPa。