表面镀镍对Ag基钎料钎焊YG6X与GH4169的影响

2023-05-06钟素娟裴夤崟张冠星乔瑞林

电焊机 2023年4期

刘攀，钟素娟，裴夤崟，张冠星，秦建，乔瑞林

郑州机械研究所有限公司新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南郑州 450001

0 前言

硬质合金与钢钎焊工具目前被广泛应用于刀具行业、矿山工业等领域[1-3]，随着现代工业的急速发展，其在某些特殊领域如航空航天、极地深海等极端工况下的应用越来越得到重视[4]，由此对硬质合金与钢基体的钎焊质量提出了更高的要求。针对在某些极端工况下使用常规钢材与常规钎料钎焊的硬质合金工具其焊接质量难以满足使用要求的难题，急需开展材料的设计以及工艺的开发[5-6]，如原位合成[7]以及表面改性等技术。尤其是在焊件结构十分复杂时，钎料在母材表面的润湿流动性能是达到良好焊接质量的前提条件[8]。

GH4169 作为一种沉淀强化镍基高温合金，因其在-253～650 ℃之间具有高的抗拉强度、屈服强度、持久强度和塑性被广泛应用于航空航天、石油化工等领域[9]，将其与硬质合金相连接充分发挥各自的性能优势对于扩大硬质合金钎焊工具的应用范围具有十分重要的意义。在前期研究中针对硬质合金与高温合金材料的理化性能设计了AgCu‑NiMn 系钎料，并研究了钎焊温度对接头微观组织与力学性能的影响[10]，然而在后续研究中发现当焊件结构复杂时，由于焊料润湿填缝能力不足而难以满足预期要求，分析得出主要是由于试样加工精度低以及钎料自身流动能力弱所导致的，所以急需提升焊料在母材表面的流动性能。在提升钎焊过程中焊料润湿流动能力的问题上，国内外学者围绕镀镍工艺作了相关研究。在提升焊料在硬质合金表面润湿性能研究中，Ray等人[11]通过研究发现Ni能在一定程度上增强钎料在硬质合金上的润湿流动能力；Mahyar 等人[12]研究了在钎料表面镀Ni 对BAg1 钎料在硬质合金表面润湿性能的影响，发现镀镍后焊料在硬质合金表面润湿性能提升了20%。在高温合金表面增润的研究中，刘智雄等人[13]研究了在GH4169 表面镀镍对NiCrSiB 钎料润湿性能的影响，发现钎料在进行电镀处理后的合金表面表现出良好的润湿性能；Chapman等人[14]研究了在In718表面镀镍对其瞬时液相扩散焊接过程的影响，发现镀层能够有效地缓解母材向钎料合金中的溶解反应。

本文基于已有的研究，在YG6X/AgCuNiMn/GH4169钎焊体系中，研究了在GH4169表面镀镍对AgCuNiMn 钎料在其表面润湿性能的影响，以及镀镍后对钎焊接头微观组织与力学性能的影响，旨在通过研究分析使得在YG6X/AgCuNiMn/GH4169 钎焊体系中钎料的润湿填缝能力与接头的力学性能达到相互统一，为拓展硬质合金与钢基体钎焊工具的应用范围以及特殊工况下硬质合金与钢钎焊工具的成形制造提供一定的参考价值。

1 试验材料及方法

试验母材为YG6X 硬质合金与GH4169高温合金，Ag 基钎料由纯金属电弧熔炼制得，母材与钎料成分如表1所示，试验共分为两部分：真空润湿性试验以及真空钎焊试验。焊前对GH4169高温合金进行镀Ni 处理，所用镀液为商用电镀镍溶液，电镀参数为电流2.5 A，电压10 V，磁力搅拌转速500 r/min，温度40 ℃，电镀时间5 min。电镀前需对合金表面进行严格的清洗处理，主要采用的工艺为酸洗，将试样在沸腾的硝酸与氢氟酸水溶液中浸泡2～3 min，用无水乙醇超声清洗并烘干待用。

表1 母材与钎料化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of base metal and solder metal （wt.%）

图1 润湿试样形貌与尺寸示意Fig1 Schematic diagram of the morphology and size of the wetting sample

图2 拉伸试样形貌与尺寸示意Fig.2 Sketch map of tensile specimen morphology and size

2 试验结果与分析讨论

2.1 润湿性能试验

对比钎料在不同表面状态的GH4169表面润湿铺展形貌，发现钎料在有Ni 镀层的GH4169 表面表现出极佳的润湿流动性能。当合金表面无镀层时，钎料熔化后由于润湿角较大，在合金表面收缩团聚，呈半圆球状（见图3a），其润湿角大小为20°（见图4a）；合金表面存在Ni镀层时，钎料在合金表面表现出极佳的润湿性能，钎料布满存在Ni镀层的合金表面（见图3b），其润湿角大小为4°（见图4b）。

图3 润湿性能试验试样Fig.3 Wettability test specimen

图4 润湿性能试验试样截面Fig.4 Cross section of wettability test specimen

2.2 接头微观组织与力学性能

通过AgCuNiMn钎料钎焊YG6X与表面镀镍后的GH4169，钎焊后接头界面微观组织如图5 所示，整个钎缝组织可分为三部分，分别为YG6X/钎料界面层，钎缝中心区域以及钎料/GH4169界面层，图中各点的EDS 点扫结果如表2 所示，根据结果可以推测A、C、E处为Cu（s，s），B、D 为Ag（s，s），并且细小的Ag、Cu 固溶体相弥散地分布于大块基体中，F 处为富Ni相。

表2 EDS电扫分析结果（质量分数，%）Table 2 EDS scanning analysis results （wt.%）

图5 钎缝微观组织Fig.5 Microstructure of braze joint

为进一步分析高温合金表面镀层在钎焊过程中的反应程度，对钎料与高温合金侧界面处进行了EDS 线扫描与面扫分析。线扫分析结果如图6 所示，在界面处存在着约20 μm 厚的高Ni 反应层，在此区域内，镍含量先升高后降低，说明在钎焊过程中钎料和GH4169母材均与镀层发生了良好的冶金反应，图中Ⅰ区为AgCuNiMn 钎料与Ni 镀层的反应区域，其中Cu、Mn元素含量随着距离的增加逐渐降低，到Ni 含量最高处即图中竖直虚线所示位置，Cu与Mn含量基本不再变化，随着距离继续增加，进入到反应区Ⅱ，即Ni镀层与GH4169相互反应区，Ni含量逐渐降低至合金母材中Ni 含量，而Fe 含量逐渐增加至合金母材中Fe含量，上述反应区的存在说明了在钎焊过程中Ni 镀层与钎料和合金母材之间发生了良好的元素扩散反应。

图6 EDS线扫分析结果Fig.6 EDS line scan analysis results

面扫结果如图7 所示，直观反映了界面处各元素的分布状态，在镀层反应区内靠近GH4169侧，富Ni 相中Fe、Cr 含量较多，而在镀层反应区靠近钎料侧，富Ni相中Cu、Mn含量较多，与线扫结果一致。

图7 EDS面扫分析结果Fig.7 EDS Surface Scan Analysis Results

在钎焊温度为890 ℃保温10 min 的条件下，试样拉伸强度如图8 所示，有镀层的钎焊接头抗拉强度较无镀层时的接头拉伸强度略有降低，但平均抗拉强度依旧可达631.6 MPa。

图8 钎焊试样拉伸强度Fig.8 Tensile strength of brazing specimens

2.3 分析与讨论

GH4169 为沉淀强化型镍基高温合金，其中Ni含量最高可达55wt.%，从钎焊过程中引入外加Ni元素来提高焊缝金属合金化的角度分析，在合金表面镀镍似乎为多余操作，但是考虑到实际生产条件下，焊件并非为单一对接焊缝组成而是存在着许多复杂形式的焊缝，并且现阶段对于复杂结构件的精密加工成型依旧存在许多难点而导致加工试验出现微小尺寸偏差，以上因素都会导致在钎焊过程中钎料难以充分地润湿铺展填满所有焊缝，因此通过对合金进行表面处理来增加钎料在其表面的润湿流动性能具有十分重要的意义。

润湿性能的实质即液滴以最小自由能化的形式放置在母材表面上，当界面处能够发生化学反应时，界面化学键的形成能显著提高液态金属的润湿能力，两种不同钎焊体系中唯一差别在于GH4169高温合金表面有无电镀Ni 层。当合金表面无镀层时，钎料直接与合金表面相接触，由于高温合金成分复杂，含较多的Ti、Al等活泼性较强的元素，在高温下对真空度敏感性极高，导致钎料中的元素与母材元素间的扩散反应程度较弱，从而表现出较差的润湿性能；而当GH4169合金表面存在电镀镍层时，钎料与镍镀层直接接触，由于Ni 与Cu、Mn 之间具有较强的亲和力，在钎焊过程中钎料与镍镀层之间发生强烈的界面冶金扩散反应，如图6中反应区Ⅰ所示，强烈的界面反应使得体系自由能降低，促进液态钎料的润湿铺展，最终使得钎料在具有镍镀层的GH4169表面表现出极佳的润湿性能。

当合金表面具有电镀镍层时，其对整个钎焊过程中接头组织演变以及力学性能的影响主要分为以下几个方面：

（1）钎焊过程中Ni 镀层与钎料和GH4169 母材与之间的冶金反应。由于Ni 的熔点为1 455 ℃，在890 ℃的钎焊温度下镍镀层不会发生固液相变而主要靠元素之间的扩散反应来完成冶金结合的过程，Ni与Cu、Fe、Cr、Mn等元素具有较好的亲和能力，在钎料侧Cu 与Mn 含量较高，合金侧Fe 与Cr 含量较高；当钎焊温度达到钎料熔点，钎料发生固液相变后，液态钎料与Ni 镀层之间由于存在化学势差异，会发生钎料元素如Cu、Mn 等向镀层中扩散以及镀层向液态钎料中溶解，同理在合金侧也会发生类似的元素扩散反应，Fe与Cr等元素由合金中向镀层扩散，最终形成钎料/镀层/合金母材间的过渡反应区。

（2）镍镀层对钎缝组织的影响。在钎焊过程中除钎料与母材元素向镀层中扩散外，镀层中的Ni也会在化学势梯度的影响下向钎料合金中扩散，从而使得靠近镀层侧的钎料合金中Ni含量增加，最终在凝固过程中于靠近镀层侧的焊缝处析出Ni 含量相对较高的Cu固溶体相。

（3）Ni 镀层对接头力学性能的影响。Ni 作为Ag基钎料中的强化元素，能在一定程度上提高钎缝的力学性能，但在此试验中引入Ni镀层后试样的拉伸强度反而略有降低。与无镀层的钎焊试样钎缝微观组织成分相比[6]，由表2 可知，钎缝中富Cu 相中Ni 含量虽然有一定程度的提高，但是Ni 镀层的存在使得GH4169 合金母材中Fe、Cr、Nb 等元素难以越过镀层反应区而扩散进入钎缝中，由于上述强化元素的缺失，使得钎缝整体抗拉强度呈现略微下降的趋势。

由上述分析结果可知，在YG6X/AgCuNiMn/GH4169钎焊体系中引入电镀Ni层能极大改善钎料在高温合金表面的润湿流动性能，进而增加钎料的填缝能力；但在本研究中的电镀工艺与钎焊工艺的试验条件下，钎焊力学性能试样的拉伸强度呈现略微下降的趋势，后期研究会着力于电镀工艺与钎焊工艺的优化，调控钎料与GH4169 合金界面处的镀层反应区的宽度与成分，并最终获得钎料润湿性能与接头力学性能相互协调的工艺参数。