緩解Ti(C,N)基金屬陶瓷/鋼釬焊殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

萬(wàn)維財(cái)，羅 偉，王 杰，王宗元

（1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司，四川 成都 611731）

Ti(C,N)基金屬陶瓷是以Ti(C,N) (或者TiN和TiC)為基礎(chǔ)Ni/Co 金屬為粘結(jié)相，并且可以添加碳化物（Mo2C、WC、TaC、NbC、Cr3C2、VC 等）作為添加劑的新型金屬陶瓷材料[1]。與傳統(tǒng)的WC 基硬質(zhì)合金相比，Ti(C,N)基金屬陶瓷具有高硬度與紅硬性、低比重、高耐磨耐蝕性等優(yōu)異性能，以及明顯的資源儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì)（全球Ti 儲(chǔ)量是W 的近70 倍），因而Ti(C,N)基金屬陶瓷被視為WC 基硬質(zhì)合金在刀具、模具、耐磨耐蝕零件等領(lǐng)域的理想替代材料之一。

由于金屬陶瓷的強(qiáng)韌性和加工性能欠佳，將其與韌性較高、可承受較大沖擊載荷的鋼等金屬材料連接則可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，滿足惡劣工況對(duì)高硬度、高耐磨耐蝕性和強(qiáng)韌性等優(yōu)異綜合性能的要求，并且有利于制造形狀復(fù)雜的零件[2-3]；將金屬陶瓷與鋼連接還可以節(jié)約和有效利用Ti、Ni、Mo 等高價(jià)值的有色金屬資源，減少對(duì)這些昂貴資源的浪費(fèi)。如果實(shí)現(xiàn)Ti(C,N)基金屬陶瓷與鋼等金屬材料的有效焊接，并獲得結(jié)合牢固的焊接接頭，就可以充分發(fā)揮Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大其在機(jī)械加工、模具、礦山機(jī)械等行業(yè)的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)占有率。因此，實(shí)現(xiàn)Ti(C,N)基金屬陶瓷與鋼等金屬材料的有效連接對(duì)擴(kuò)大Ti(C,N)基金屬陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 金屬陶瓷/鋼焊接的主要問題

在金屬陶瓷與鋼連接方法中，釬焊具有工藝簡(jiǎn)單、焊接效率高，加熱溫度低、對(duì)母材影響較小等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用非常普遍的焊接方法[4-5]。潤(rùn)濕性和接頭殘余應(yīng)力是（金屬）陶瓷/金屬異種材料連接過(guò)程中面臨的主要問題。在金屬陶瓷的復(fù)合材料中，由于材料基體除陶瓷相外還含有一定體積的金屬相，因而潤(rùn)濕性問題在一定程度上得以改善[6]。然而，金屬陶瓷的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服極限、泊松比等物理力學(xué)性能與金屬材料和釬料存在較大差異，焊接接頭界面處易產(chǎn)生殘余應(yīng)力[7]。高應(yīng)力梯度對(duì)焊接接頭的可靠性十分不利，將會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度被大幅度降低，造成接頭在低應(yīng)力服役工況下甚至焊接過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，使工件失效破壞。因此，分析接頭殘余應(yīng)力狀態(tài)，尋找緩解界面應(yīng)力的途徑，是金屬陶瓷/金屬釬焊研究領(lǐng)域需要解決的重要問題。

2 金屬陶瓷/鋼釬焊殘余應(yīng)力狀態(tài)與分布規(guī)律

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用X 射線衍射和有限元分析的方法對(duì)（金屬）陶瓷/金屬焊接接頭的殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并且取得了一定的成果。陳紅等[8]采用X 射線衍射的方法分析了Si3N4/4Cr10Si2Mo 釬焊接頭的應(yīng)力情況，發(fā)現(xiàn)距焊縫0.25 mm 的Si3N4陶瓷基體處存在434～527 MPa 的最大拉應(yīng)力。雷永平等[9]也得出了相似的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)Si3N4/40Cr 釬焊接頭的陶瓷側(cè)靠近界面處存在最大軸向拉應(yīng)力。Kar 等[10]的研究表明，Al2O3陶瓷與不銹鋼釬焊接頭近不銹鋼基體側(cè)為殘余壓應(yīng)力，而近陶瓷基體側(cè)為殘余拉應(yīng)力。張麗霞等[11]的有限元數(shù)值模擬表明，采用Ni 基和Ag 基釬料的TiC 陶瓷/鑄鐵焊縫處剪應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在釬料/TiC 陶瓷界面。吳銘方等[12]采用有限元法模擬發(fā)現(xiàn)，Ti(C,N)金屬陶瓷/40Cr 釬焊接頭的金屬陶瓷近釬縫的微區(qū)內(nèi)產(chǎn)生峰值為268 MPa的殘余拉應(yīng)力。Laik 等[13]的有限元分析表明，Al2O3陶瓷/Inconel 600 釬焊時(shí)Al2O3陶瓷近焊縫表層區(qū)域出現(xiàn)約310 MPa 的殘余拉應(yīng)力峰值。李樹杰等[14]采用彈性有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)SiC 陶瓷/Ni 基高溫合金接頭的陶瓷近縫區(qū)存在3300 MPa 的最大軸向拉應(yīng)力。Shen 等[15]對(duì)Al2O3-TiC/W18Cr4V 連接界面的有限元分析也表明最大殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在陶瓷/中間層界面近陶瓷側(cè)，如圖1 所示。

圖1 Al2O3-TiC/Ti-Cu-Ti/W18Cr4V 擴(kuò)散接頭殘余應(yīng)力的有限分析

可以看出，對(duì)于線膨脹系數(shù)、屈服極限、彈性模量等物性參數(shù)相差較大的陶瓷與金屬的異種材料焊接，其接頭的殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布規(guī)律為拉應(yīng)力存在于線膨脹系數(shù)小、屈服極限高、彈性模量大的陶瓷基體一側(cè)，并且殘余拉應(yīng)力最大值容易達(dá)到脆性陶瓷材料的強(qiáng)度極限。因此，接頭近焊縫的陶瓷側(cè)是緩解陶瓷/金屬焊接殘余應(yīng)力的關(guān)鍵區(qū)域。

3 金屬陶瓷/鋼釬焊殘余應(yīng)力緩解途徑

為緩解焊接接頭殘余應(yīng)力，除對(duì)焊接溫度、升溫速度、保溫時(shí)間、冷卻速度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)釬料進(jìn)行了較為深入的研究，提出了采用添加中間層、復(fù)合釬料、梯度釬料等方式優(yōu)化釬料，以達(dá)到緩解殘余應(yīng)力，改善焊接質(zhì)量和接頭力學(xué)性能的目的。

3.1 添加中間層

中間層是為了緩解殘余應(yīng)力而加入到釬料中的不完全熔化的過(guò)渡層。吳銘方等[16]在真空釬焊Ti(C,N)基金屬陶瓷/40Cr 鋼時(shí)向Ag-Cu 和Ti-Cu-Ni 釬料中添加Cu、Nb、Mo 箔作應(yīng)力緩沖層，發(fā)現(xiàn)Cu 中間層降低接頭殘余應(yīng)力效果最好，而Mo 中間層可以將出現(xiàn)最大拉應(yīng)力的位置從金屬陶瓷基體轉(zhuǎn)移到中間層中。Yang 等[17]采用Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti 釬料釬焊SiO2-BN 陶瓷/Invar 合金，發(fā)現(xiàn)Cu中間層所形成的固溶體組織可有效緩解殘余應(yīng)力，進(jìn)而大幅改善接頭強(qiáng)度，如圖2 所示。CejaCárdenas等[18]采用含Nb 中間層的Cu-Zn/Nb/Cu-Zn 三明治釬料釬焊Si3N4/AISI 304 鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)可以顯著降低接頭的殘余應(yīng)力。通常軟質(zhì)中間層（Cu、Al、Ni 等）的熱膨脹系數(shù)高，但彈性模量小，屈服點(diǎn)低、塑性好，可以通過(guò)自身的屈服、塑性變形和蠕變緩解殘余應(yīng)力；硬質(zhì)中間層（W、Mo 等）的彈性模量大，但熱膨脹系數(shù)小可降低熱膨脹系數(shù)的差異，并且將殘余應(yīng)力集中區(qū)域從金屬陶瓷近焊縫側(cè)轉(zhuǎn)移到中間層，有效抑止初始裂紋在金屬陶瓷中的萌生[14]。Qin 等[19]研究了在TiZrNiCu 釬料中添加Cu/Mo 復(fù)合中間層真空釬焊C/C 復(fù)合材料與TC4 合金中，結(jié)果表明殘余應(yīng)力得到明顯緩解，接頭抗剪強(qiáng)度提高三倍。另外，Park 等[20]采用不同層數(shù)的中間層對(duì)Si3N4陶瓷和鎳合金進(jìn)行釬焊，發(fā)現(xiàn)三層復(fù)合中間層降低接頭熱應(yīng)力的效果最好且接頭強(qiáng)度最高。因此，可以看出采用軟/硬復(fù)層中間層可兼顧各自的優(yōu)點(diǎn)，但層數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致工藝復(fù)雜甚至因界面增多而影響接頭整體性能。

圖2 Cu 中間層厚度對(duì)SiO2-BN 陶瓷/Invar 合金釬焊接頭強(qiáng)度的影響

3.2 復(fù)合釬料

基于金屬基復(fù)合材料的思想，在較軟的基礎(chǔ)釬料中加入（或原位反應(yīng)生成）顆粒、纖維、晶須等硬質(zhì)相增強(qiáng)體，利用基礎(chǔ)釬料良好的塑韌性以及增強(qiáng)體的高溫強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)，并改變二者的比例調(diào)節(jié)母材的物理力學(xué)性能失配，可有效緩解殘余應(yīng)力。Song 等[21]在Ag-Cu-Ti 釬料添加Si3N4p 用于釬焊Si3N4陶瓷/TiAl 合金，結(jié)果表明接頭中形成的Ti5Si3p 與TiNp 組織降低了Si3N4與TiAl 之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不匹配程度（圖3 所示），顯著減小了接頭的殘余應(yīng)力，如圖4 所示。Blugan 等[22]采用添加SiC 的ABA 活性金屬釬料釬焊Si3N4陶瓷/14NiCr14 鋼，發(fā)現(xiàn)接頭的殘余應(yīng)力得到有效松弛，抗彎強(qiáng)度顯著提高。Halbig 等[23]在Ag-Cu-Ti 釬料中加入SiC 用于連接CVD SiC，釬料中含有43vol%SiC 時(shí)其熱膨脹系數(shù)可降低45～60%，接頭殘余應(yīng)力降低，強(qiáng)度得到改善。李雅范等[24]發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料對(duì)Al2O3/Al2O3釬焊接頭殘余應(yīng)力的緩解作用隨顆粒含量而增加。Cui 等[25]采用(Ti-Zr-Cu-Ni)+W 復(fù)合釬料釬焊Cf/SiC 復(fù)合材料與TC4 合金，發(fā)現(xiàn)復(fù)合釬料中反應(yīng)生成的TiC、Ti3SiC2、Ti5Si3等可有效緩解接頭的殘余應(yīng)力。He 等[26]和Wang 等[27]采用(Ag-Cu-Ti)+Mo、(Ag-Cu-Ti)+TiN 復(fù)合釬料對(duì)Si3N4陶瓷/42CrMo 鋼釬焊進(jìn)行了研究，結(jié)果也表明適當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)相添加量均能起到降低釬料熱膨脹系數(shù)，緩解接頭殘余應(yīng)力和提高接頭強(qiáng)度的作用。Yang 等[28]和Yang 等[29]采用(Cu-Ti)+Ti2B、(Ag-Cu-Ti)+B+TiH2和(Ag-Cu-Ti)+B 等復(fù)合釬料釬焊Al2O3陶瓷與Ti-6Al-4V/TC4 合金，利用釬焊過(guò)程中原位形成的TiB晶須在接頭界面形成延性—?jiǎng)傂浴有越Y(jié)構(gòu)，接頭殘余應(yīng)力降低，抗剪強(qiáng)度提高。

圖3 Ag-Cu-Ti 釬料中Si3N4p 含量對(duì)Si3N4 陶瓷/TiAl 合金接頭熱膨脹系數(shù)（CET）和楊氏模量的影響

圖4 Ag-Cu-Ti 釬料中Si3N4p 含量對(duì)Si3N4 陶瓷/TiAl 合金接頭剪切強(qiáng)度的影響

3.3 梯度釬料

采用梯度釬料緩解殘余應(yīng)力是基于功能梯度材料的思想，其實(shí)質(zhì)是復(fù)合釬料在母材之間的梯度化。通過(guò)成分、組織及彈性模量和熱膨脹系數(shù)的梯度變化進(jìn)一步減小母材特性失配引起的殘余應(yīng)力。Ravichardran 等[30]采用Al2O3陶瓷和金屬Ni作為功能梯度釬料體系的組元，當(dāng)功能梯度材料的成分在陶瓷與金屬母材之間按線性變化時(shí)，接頭中殘余熱應(yīng)力最小。Li 等[31]采用反應(yīng)熱壓法得到了YSZ/FGM/NiCr 接頭（如圖5 所示），在1000 ℃時(shí)該焊接接頭仍具有良好的熱穩(wěn)定性。潘峰[32]研究了梯度層數(shù)和組織成分對(duì)接頭熱應(yīng)力的影響，采用Ag-Cu-Ti+Mo 梯度釬料釬焊連接Si3N4陶瓷/42CrMo 鋼，結(jié)論表明釬焊接頭中軸向殘余熱應(yīng)力隨梯度層層數(shù)增加而減小。Pietrzak 等[33]采用Al2O3與Cr 為組元的功能梯度釬料連接Al2O3和鋼，發(fā)現(xiàn)用三層Al2O3-Cr 梯度釬料可以減小接頭中50%的殘余應(yīng)力。

圖5 YSZ-FGM-NiCr 焊接接頭的光學(xué)顯微組織

從焊接接頭殘余應(yīng)力解析式（公式1）可以看出，接頭殘余應(yīng)力隨溫度差、熱膨脹系數(shù)差異和彈性模量的降低而減小，其中σ、α、E、ΔT分別是殘余應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)、彈性模量和溫差，m 和c 代表金屬與（金屬）陶瓷[34]。

除通過(guò)加熱和冷卻工藝優(yōu)化減小接頭各部分的溫差之外，目前采用中間層、復(fù)合釬料、梯度釬料是緩解金屬陶瓷/金屬接頭殘余應(yīng)力的主要途徑，以上三種方法都是力圖降低界面兩側(cè)基體材料的熱膨脹系數(shù)差異和彈性模量。向釬料層中添加硬質(zhì)中間層，利用其低熱膨脹系數(shù)來(lái)緩解金屬陶瓷與金屬之間的差異，但硬質(zhì)中間層的彈性模量一般較大；而添加軟質(zhì)中間層，利用其低彈性模量和良好塑性變形能力來(lái)緩解殘余應(yīng)力，但軟質(zhì)中間層的熱膨脹系數(shù)一般與金屬陶瓷相差較大。采用復(fù)層中間層、復(fù)合釬料和梯度釬料等方式可有效降低金屬陶瓷/金屬界面的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配程度。但是，為提高界面連續(xù)程度，使用復(fù)層中間層或梯度釬料的層數(shù)增多，工藝復(fù)雜性增加。另外，復(fù)合釬料中增強(qiáng)相和梯度釬料中陶瓷相的分布控制問題必須加以考慮，而且增強(qiáng)相或陶瓷相的引入在降低釬料熱膨脹系數(shù)的同時(shí)也會(huì)增加其彈性模量。因此，采用中間層（復(fù)合中間層）、復(fù)合釬料、梯度釬料在有效緩解接頭殘余應(yīng)力的同時(shí)，也都存在一定的局限性。

綜上所述，采用中間層、復(fù)合釬料、梯度釬料都是通過(guò)調(diào)整釬料以提高接頭在化學(xué)成分、微觀組織方面的連續(xù)性，降低界面不匹配程度，以避免界面物理力學(xué)性能的突變。這些研究思路主要圍繞界面的釬料側(cè)進(jìn)行，而針對(duì)金屬陶瓷基體的應(yīng)力調(diào)控機(jī)制研究很少，因此有必要將研究重點(diǎn)從釬料擴(kuò)展到金屬陶瓷。通過(guò)對(duì)金屬陶瓷顯微組織調(diào)控與表面改性來(lái)緩解金屬陶瓷/釬料界面殘余應(yīng)力是一種重要的思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

Ti(C,N)基金屬陶瓷具有低密度、高硬度、高耐磨耐蝕性等優(yōu)異的性能，能夠節(jié)約戰(zhàn)略資源，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ挠操|(zhì)材料。金屬陶瓷與韌性較高、可承受較大沖擊載荷的鋼等金屬材料連接則可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，滿足惡劣工況對(duì)高硬度、高耐磨耐蝕性和強(qiáng)韌性等優(yōu)異綜合性能的要求。綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果，本文認(rèn)為近焊縫處的金屬陶瓷側(cè)是緩解殘余應(yīng)力的關(guān)鍵區(qū)域，應(yīng)將應(yīng)力緩解的研究重點(diǎn)從目前的釬料擴(kuò)展到金屬陶瓷表面，通過(guò)對(duì)金屬陶瓷顯微組織調(diào)控與表面改性來(lái)緩解金屬陶瓷/釬料界面殘余應(yīng)力。Ti(C,N)基金屬陶瓷/鋼接頭殘余應(yīng)力的緩解可以提高金屬陶瓷工件的服役可靠性，擴(kuò)大金屬陶瓷材料的工程應(yīng)用范圍，具有重要的工程意義。我國(guó)（四川攀西地區(qū)）擁有豐富的Ti 資源，發(fā)展Ti(C,N)基金屬陶瓷具有重要的戰(zhàn)略意義。