表面鍍鎳對Ag基釬料釬焊YG6X與GH4169的影響

劉 攀，鐘素娟，裴夤崟，張冠星，秦 建，喬瑞林

鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

0 前言

硬質合金與鋼釬焊工具目前被廣泛應用于刀具行業(yè)、礦山工業(yè)等領域[1-3]，隨著現(xiàn)代工業(yè)的急速發(fā)展，其在某些特殊領域如航空航天、極地深海等極端工況下的應用越來越得到重視[4]，由此對硬質合金與鋼基體的釬焊質量提出了更高的要求。針對在某些極端工況下使用常規(guī)鋼材與常規(guī)釬料釬焊的硬質合金工具其焊接質量難以滿足使用要求的難題，急需開展材料的設計以及工藝的開發(fā)[5-6]，如原位合成[7]以及表面改性等技術。尤其是在焊件結構十分復雜時，釬料在母材表面的潤濕流動性能是達到良好焊接質量的前提條件[8]。

GH4169 作為一種沉淀強化鎳基高溫合金，因其在-253～650 ℃之間具有高的抗拉強度、屈服強度、持久強度和塑性被廣泛應用于航空航天、石油化工等領域[9]，將其與硬質合金相連接充分發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢對于擴大硬質合金釬焊工具的應用范圍具有十分重要的意義。在前期研究中針對硬質合金與高溫合金材料的理化性能設計了AgCu?NiMn 系釬料，并研究了釬焊溫度對接頭微觀組織與力學性能的影響[10]，然而在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)當焊件結構復雜時，由于焊料潤濕填縫能力不足而難以滿足預期要求，分析得出主要是由于試樣加工精度低以及釬料自身流動能力弱所導致的，所以急需提升焊料在母材表面的流動性能。在提升釬焊過程中焊料潤濕流動能力的問題上，國內外學者圍繞鍍鎳工藝作了相關研究。在提升焊料在硬質合金表面潤濕性能研究中，Ray等人[11]通過研究發(fā)現(xiàn)Ni能在一定程度上增強釬料在硬質合金上的潤濕流動能力；Mahyar 等人[12]研究了在釬料表面鍍Ni 對BAg1 釬料在硬質合金表面潤濕性能的影響，發(fā)現(xiàn)鍍鎳后焊料在硬質合金表面潤濕性能提升了20%。在高溫合金表面增潤的研究中，劉智雄等人[13]研究了在GH4169 表面鍍鎳對NiCrSiB 釬料潤濕性能的影響，發(fā)現(xiàn)釬料在進行電鍍處理后的合金表面表現(xiàn)出良好的潤濕性能；Chapman等人[14]研究了在In718表面鍍鎳對其瞬時液相擴散焊接過程的影響，發(fā)現(xiàn)鍍層能夠有效地緩解母材向釬料合金中的溶解反應。

本文基于已有的研究，在YG6X/AgCuNiMn/GH4169釬焊體系中，研究了在GH4169表面鍍鎳對AgCuNiMn 釬料在其表面潤濕性能的影響，以及鍍鎳后對釬焊接頭微觀組織與力學性能的影響，旨在通過研究分析使得在YG6X/AgCuNiMn/GH4169 釬焊體系中釬料的潤濕填縫能力與接頭的力學性能達到相互統(tǒng)一，為拓展硬質合金與鋼基體釬焊工具的應用范圍以及特殊工況下硬質合金與鋼釬焊工具的成形制造提供一定的參考價值。

1 試驗材料及方法

試驗母材為YG6X 硬質合金與GH4169高溫合金，Ag 基釬料由純金屬電弧熔煉制得，母材與釬料成分如表1所示，試驗共分為兩部分：真空潤濕性試驗以及真空釬焊試驗。焊前對GH4169高溫合金進行鍍Ni 處理，所用鍍液為商用電鍍鎳溶液，電鍍參數為電流2.5 A，電壓10 V，磁力攪拌轉速500 r/min，溫度40 ℃，電鍍時間5 min。電鍍前需對合金表面進行嚴格的清洗處理，主要采用的工藝為酸洗，將試樣在沸騰的硝酸與氫氟酸水溶液中浸泡2～3 min，用無水乙醇超聲清洗并烘干待用。

表1 母材與釬料化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of base metal and solder metal （wt.%）

圖1 潤濕試樣形貌與尺寸示意Fig1 Schematic diagram of the morphology and size of the wetting sample

圖2 拉伸試樣形貌與尺寸示意Fig.2 Sketch map of tensile specimen morphology and size

2 試驗結果與分析討論

2.1 潤濕性能試驗

對比釬料在不同表面狀態(tài)的GH4169表面潤濕鋪展形貌，發(fā)現(xiàn)釬料在有Ni 鍍層的GH4169 表面表現(xiàn)出極佳的潤濕流動性能。當合金表面無鍍層時，釬料熔化后由于潤濕角較大，在合金表面收縮團聚，呈半圓球狀（見圖3a），其潤濕角大小為20°（見圖4a）；合金表面存在Ni鍍層時，釬料在合金表面表現(xiàn)出極佳的潤濕性能，釬料布滿存在Ni鍍層的合金表面（見圖3b），其潤濕角大小為4°（見圖4b）。

圖3 潤濕性能試驗試樣Fig.3 Wettability test specimen

圖4 潤濕性能試驗試樣截面Fig.4 Cross section of wettability test specimen

2.2 接頭微觀組織與力學性能

通過AgCuNiMn釬料釬焊YG6X與表面鍍鎳后的GH4169，釬焊后接頭界面微觀組織如圖5 所示，整個釬縫組織可分為三部分，分別為YG6X/釬料界面層，釬縫中心區(qū)域以及釬料/GH4169界面層，圖中各點的EDS 點掃結果如表2 所示，根據結果可以推測A、C、E處為Cu（s，s），B、D 為Ag（s，s），并且細小的Ag、Cu 固溶體相彌散地分布于大塊基體中，F(xiàn) 處為富Ni相。

表2 EDS電掃分析結果（質量分數，%）Table 2 EDS scanning analysis results （wt.%）

圖5 釬縫微觀組織Fig.5 Microstructure of braze joint

為進一步分析高溫合金表面鍍層在釬焊過程中的反應程度，對釬料與高溫合金側界面處進行了EDS 線掃描與面掃分析。線掃分析結果如圖6 所示，在界面處存在著約20 μm 厚的高Ni 反應層，在此區(qū)域內，鎳含量先升高后降低，說明在釬焊過程中釬料和GH4169母材均與鍍層發(fā)生了良好的冶金反應，圖中Ⅰ區(qū)為AgCuNiMn 釬料與Ni 鍍層的反應區(qū)域，其中Cu、Mn元素含量隨著距離的增加逐漸降低，到Ni 含量最高處即圖中豎直虛線所示位置，Cu與Mn含量基本不再變化，隨著距離繼續(xù)增加，進入到反應區(qū)Ⅱ，即Ni鍍層與GH4169相互反應區(qū)，Ni含量逐漸降低至合金母材中Ni 含量，而Fe 含量逐漸增加至合金母材中Fe含量，上述反應區(qū)的存在說明了在釬焊過程中Ni 鍍層與釬料和合金母材之間發(fā)生了良好的元素擴散反應。

圖6 EDS線掃分析結果Fig.6 EDS line scan analysis results

面掃結果如圖7 所示，直觀反映了界面處各元素的分布狀態(tài)，在鍍層反應區(qū)內靠近GH4169側，富Ni 相中Fe、Cr 含量較多，而在鍍層反應區(qū)靠近釬料側，富Ni相中Cu、Mn含量較多，與線掃結果一致。

圖7 EDS面掃分析結果Fig.7 EDS Surface Scan Analysis Results

在釬焊溫度為890 ℃保溫10 min 的條件下，試樣拉伸強度如圖8 所示，有鍍層的釬焊接頭抗拉強度較無鍍層時的接頭拉伸強度略有降低，但平均抗拉強度依舊可達631.6 MPa。

圖8 釬焊試樣拉伸強度Fig.8 Tensile strength of brazing specimens

2.3 分析與討論

GH4169 為沉淀強化型鎳基高溫合金，其中Ni含量最高可達55wt.%，從釬焊過程中引入外加Ni元素來提高焊縫金屬合金化的角度分析，在合金表面鍍鎳似乎為多余操作，但是考慮到實際生產條件下，焊件并非為單一對接焊縫組成而是存在著許多復雜形式的焊縫，并且現(xiàn)階段對于復雜結構件的精密加工成型依舊存在許多難點而導致加工試驗出現(xiàn)微小尺寸偏差，以上因素都會導致在釬焊過程中釬料難以充分地潤濕鋪展填滿所有焊縫，因此通過對合金進行表面處理來增加釬料在其表面的潤濕流動性能具有十分重要的意義。

潤濕性能的實質即液滴以最小自由能化的形式放置在母材表面上，當界面處能夠發(fā)生化學反應時，界面化學鍵的形成能顯著提高液態(tài)金屬的潤濕能力，兩種不同釬焊體系中唯一差別在于GH4169高溫合金表面有無電鍍Ni 層。當合金表面無鍍層時，釬料直接與合金表面相接觸，由于高溫合金成分復雜，含較多的Ti、Al等活潑性較強的元素，在高溫下對真空度敏感性極高，導致釬料中的元素與母材元素間的擴散反應程度較弱，從而表現(xiàn)出較差的潤濕性能；而當GH4169合金表面存在電鍍鎳層時，釬料與鎳鍍層直接接觸，由于Ni 與Cu、Mn 之間具有較強的親和力，在釬焊過程中釬料與鎳鍍層之間發(fā)生強烈的界面冶金擴散反應，如圖6中反應區(qū)Ⅰ所示，強烈的界面反應使得體系自由能降低，促進液態(tài)釬料的潤濕鋪展，最終使得釬料在具有鎳鍍層的GH4169表面表現(xiàn)出極佳的潤濕性能。

當合金表面具有電鍍鎳層時，其對整個釬焊過程中接頭組織演變以及力學性能的影響主要分為以下幾個方面：

（1）釬焊過程中Ni 鍍層與釬料和GH4169 母材與之間的冶金反應。由于Ni 的熔點為1 455 ℃，在890 ℃的釬焊溫度下鎳鍍層不會發(fā)生固液相變而主要靠元素之間的擴散反應來完成冶金結合的過程，Ni與Cu、Fe、Cr、Mn等元素具有較好的親和能力，在釬料側Cu 與Mn 含量較高，合金側Fe 與Cr 含量較高；當釬焊溫度達到釬料熔點，釬料發(fā)生固液相變后，液態(tài)釬料與Ni 鍍層之間由于存在化學勢差異，會發(fā)生釬料元素如Cu、Mn 等向鍍層中擴散以及鍍層向液態(tài)釬料中溶解，同理在合金側也會發(fā)生類似的元素擴散反應，F(xiàn)e與Cr等元素由合金中向鍍層擴散，最終形成釬料/鍍層/合金母材間的過渡反應區(qū)。

（2）鎳鍍層對釬縫組織的影響。在釬焊過程中除釬料與母材元素向鍍層中擴散外，鍍層中的Ni也會在化學勢梯度的影響下向釬料合金中擴散，從而使得靠近鍍層側的釬料合金中Ni含量增加，最終在凝固過程中于靠近鍍層側的焊縫處析出Ni 含量相對較高的Cu固溶體相。

（3）Ni 鍍層對接頭力學性能的影響。Ni 作為Ag基釬料中的強化元素，能在一定程度上提高釬縫的力學性能，但在此試驗中引入Ni鍍層后試樣的拉伸強度反而略有降低。與無鍍層的釬焊試樣釬縫微觀組織成分相比[6]，由表2 可知，釬縫中富Cu 相中Ni 含量雖然有一定程度的提高，但是Ni 鍍層的存在使得GH4169 合金母材中Fe、Cr、Nb 等元素難以越過鍍層反應區(qū)而擴散進入釬縫中，由于上述強化元素的缺失，使得釬縫整體抗拉強度呈現(xiàn)略微下降的趨勢。

由上述分析結果可知，在YG6X/AgCuNiMn/GH4169釬焊體系中引入電鍍Ni層能極大改善釬料在高溫合金表面的潤濕流動性能，進而增加釬料的填縫能力；但在本研究中的電鍍工藝與釬焊工藝的試驗條件下，釬焊力學性能試樣的拉伸強度呈現(xiàn)略微下降的趨勢，后期研究會著力于電鍍工藝與釬焊工藝的優(yōu)化，調控釬料與GH4169 合金界面處的鍍層反應區(qū)的寬度與成分，并最終獲得釬料潤濕性能與接頭力學性能相互協(xié)調的工藝參數。

3 結論

本文研究了對高溫合金進行表面鍍鎳處理后，AgCuNiMn 釬料在其表面的潤濕鋪展能力的差異，以及Ni鍍層對YG6X/AgCuNiMn/GH4169釬焊體系中接頭微觀組織與力學性能的影響，得出結論：

（1）AgCuNiMn釬料在有電鍍鎳層的GH4169合金表面表現(xiàn)出極佳的潤濕性能，潤濕角最小可達4°。

（2）在本研究中所選取的電鍍工藝與釬焊工藝的作用下，釬料與GH4169 界面處出現(xiàn)約20 μm 寬的鍍層反應區(qū)，靠近釬料側反應區(qū)Ⅰ中Cu與Mn含量較高，靠近GH4169側反應區(qū)Ⅱ中Fe與Cr含量較高。

（3）具有電鍍鎳層的釬焊試樣抗拉強度較無鍍層時釬焊試樣抗拉強度略有降低，平均抗拉強度為631.6 MPa。

（4）鎳鍍層的存在提高了釬料潤濕鋪展性能，弱化了接頭的力學性能，但通過對電鍍工藝與釬焊工藝的優(yōu)化，未來能夠在YG6X/AgCuNiMn/GH4169釬焊體系中達到釬料潤濕填縫性能與接頭力學性能相互協(xié)調統(tǒng)一。