保温时间对BNi-2非晶钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头组织和性能的影响

付 伟,陈 斌,宋晓国,王怀琎,胡胜鹏,卞 红

(哈尔滨工业大学[威海] 山东省特种焊接技术重点实验室,山东 威海 264209)

0 引言

1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢具有较好的塑韧性、耐热性及优良的耐腐蚀性能[1-3],被广泛应用于航空航天领域[4]。其中,航天发动机管路、喷注器及燃烧室等组件常采用1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊接结构[5-6]。航天发动机组件数量多、结构复杂,而高温钎焊具有接头强度高,能够在高温环境服役等特点。由于钎焊过程加热温度远低于材料熔点,钎焊件整体均匀受热,所造成的应力和变形小,使得焊接精度较高,适用于形状复杂且精密的焊件[7-8],因此组件接头常采用高温钎焊的方式进行连接。钎焊工艺的选择对于保证发动机的安全服役具有重要意义[9]。

镍基钎料BNi-2(BNi82CrSiB)添加了Si元素和B元素作为降熔元素,并改善钎料的润湿及铺展能力,使其可在较低的工艺温度下进行连接,具有强度高、耐高温、耐腐蚀、流动性好等诸多优良性能和良好的焊接工艺性能。钎焊时由于B和C向两侧母材扩散,使得钎缝重熔温度升高,是耐热钢和高温合金高温钎焊的常用钎料[10-11]。杨敏旋等采用粉末状BNi-2钎料真空钎焊0Cr18Ni9Ti不锈钢,研究得到的最佳工艺为:装配间隙20～50 μm,1 050 ℃保温时间10 min,钎焊温度的升高和保温时间的延长均会导致母材溶蚀,降低接头的力学性能,但冷却速率对于接头组织影响较小[12]。徐创等使用BNi-2粉末对304不锈钢进行真空钎焊,钎缝组织为Ni基固溶体和Cr2B、Cr2Ni23等化合物,在1 050 ℃保温10 min时获得的钎焊接头抗剪强度最高为94 MPa[13]。胡胜鹏等使用非晶BNi-2箔带对高铌TiAl合金和GH3536合金进行真空钎焊,并对非晶BNi-2钎料进行了DSC测试,研究得出BNi-2非晶钎料的熔点为987 ℃[14]。

非晶态的BNi-2钎料组织均匀,可加工性好,能够加工成固定厚度的箔带,便于钎焊间隙的控制;同时熔化温度更低,能够降低钎焊温度[15],有效避免钎焊温度过高时母材的溶蚀现象。但目前关于BNi-2非晶钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢的报道较少。保温时间是影响钎焊接头质量的关键因素[16-17]。本文采用BNi-2非晶钎料在1 000 ℃下对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行真空钎焊,分析接头界面结构和物相组成,分析不同的保温时间下钎焊接头界面组织和力学性能的变化规律。

1 试验方法

试验采用的不锈钢母材是厚度为3 mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板,其化学成分(质量分数)如表1所示。使用线切割机将不锈钢母材分别加工成3 mm×3 mm×3 mm和10 mm×20 mm×3 mm的块状试样。BNi-2非晶钎料箔厚度为50 μm,其化学成分(质量分数)如表2所示,其熔化温度为987 ℃。

表1 1Cr18Ni9Ti不锈钢成分Tab.1 Composition of 1Cr18Ni9Ti stainless steel 单位:%

表2 BNi-2非晶钎料成分Tab.2 Composition of amorphous BNi-2 brazing alloy 单位:%

钎焊试验前,依次采用600目、800目、1 000目和1 200目的SiC砂纸将待焊接试样表面打磨至镜面状,随后使用无水乙醇进行5 min的超声清洗并吹干。钎焊试样按照“小块母材/钎料箔片/大块母材”的次序自上而下进行装配,如图1(a)所示。设定焊接温度为 1 000 ℃,最高温度保持时间分别为1、5、10、15 min,先以5 ℃/min的速率升至600 ℃,保温10 min后以10 ℃/min的速率升至1 000 ℃,经保温后以5 ℃/min的速率降至室温。

图1 钎焊装配及剪切试验装配示意图 Fig.1 Schematic diagram of brazing assembly and shear test assembly

采用场发射扫描电子显微镜(Merlin Compact, ZEISS)观察界面微观形貌,用EDS对物相进行能谱分析,确定其化学成分。采用电子万能试验机(Instron Mode15967)进行接头的力学性能测试,装配方式如图1(b)所示。力学性能测试后将样件重新组装,用扫描电镜观察其断裂路径,并对钎焊接头断口进行观察,分析其断裂行为。

2 试验结果与分析

2.1 典型钎焊接头微观组织分析

图2为1 000 ℃保温10 min条件下获得的钎焊接头在扫描电镜下的典型微观组织及元素分布图。从图2(a)中可以看出,BNi-2钎料和1Cr18Ni9Ti不锈钢母材实现了良好的冶金结合,没有产生裂纹、孔洞和未焊合等钎焊缺陷。

图2 典型接头微观组织及面扫描结果(1 000 ℃/10 min)

由图2(b)可以看出,Ni元素是构成钎缝区域的主要元素,集中分布在钎缝中,并在元素浓度梯度的作用下有向两侧不锈钢母材基体中扩散的趋势,但钎缝中心的块状黑色相中Ni元素含量较低。如图2(c)所示,Cr元素主要聚集在钎缝中心的块状黑色相处,在两侧母材的奥氏体晶界处也产生了一定程度的Cr元素富集现象。从图2(d)可以看出,Fe元素有从母材向钎缝内溶解的趋势,同时在母材靠近钎缝区域的晶界处,Fe元素含量相对较少。如图2(e)所示,Si元素主要分布在钎缝内部并向母材扩散,但在钎缝块状黑色相中分布较少。根据元素分布结果可以初步推断,钎缝主要由富Ni基体相组成;钎缝中心区的块状深灰色相为含Cr的金属间化合物;在母材靠近钎缝的区域,Fe元素和Ni元素发生了冶金反应;在母材晶界处也有含Cr化合物的存在。

为进一步分析典型接头中化合物的组成,对界面局部区域进行放大观察和成分分析,如图3所示。图3中标记点成分(原子分数)及可能相如表3所示。

图3 钎焊接头高倍组织照片 Fig.3 High-resolution microstructure image of brazed joint

表3 图3中标记点成分及可能相Tab.3 Chemical composition and possible phases of spots marked in Fig.3 单位:%

接头可以分为3个区域,分别是钎缝区(Ⅰ区)、扩散区(Ⅱ区)及晶间渗入区(Ⅲ区)。Ⅰ区以浅灰色相(B)作为基体,在中心部位分布有块状黑色相(C);Ⅱ区域中存在细小密集分布的深灰色相(D);Ⅲ区域中浅灰色相(F)沿母材晶界分布。由表3可知,钎缝中心部位的块状黑色相中Cr元素含量较高,同时钎缝的主体部分具有较高的Ni含量,推测钎缝主要由富Ni基体相及CrB相构成[14]。在靠近母材的扩散区,如图3中E点所示,Ni元素和Fe元素的原子比接近于1∶1,其可能为(Fe,Ni)。在母材的近焊缝区分布的细小灰色相中Cr元素含量有所提高,由于BNi-2钎料中的Ni元素含量过高并与不锈钢相互作用导致此区域所检测到的Ni元素的含量高于不锈钢中的Ni的含量;沿母材晶界分布的灰色相中Cr元素较多,由文献[18-19]可知这种深灰色相为σ-FeCr和CrB相。

2.2 保温时间对接头界面组织和抗剪强度的影响

图4为在1 000 ℃分别保温1 min、5 min和15 min时获得的钎焊接头SEM照片。

图4 接头界面微观组织随保温时间的变化规律Fig.4 Interfacial microstructure of the joints brazed for different time

由图4可知,在不同保温时间下,母材和钎料均实现了良好的冶金结合,接头界面处未观察到裂纹、气孔和未焊合等钎焊缺陷。随保温时间延长,钎缝宽度从52.56 μm减小至43.68 μm。当保温时间较短时(5 min),钎缝中的块状CrB相尺寸较大,并且沿钎缝宽度方向分布均匀;当保温时间继续增加到10 min(见图2和图3),Cr元素不断向母材扩散,CrB相转变成细小的块状并集中分布在钎缝中心部位。随保温时间延长,CrB相沿奥氏体晶界向母材的渗入程度不断增强,当保温时间为15 min时,渗入深度约50 μm。

图5为不同保温时间下接头的力学性能。随着保温时间的增加,钎焊接头力学性能呈先升后降趋势,当保温时间为10 min时,接头的抗剪强度达到最大值248 MPa。

图5 保温时间对接头抗剪强度的影响Fig.5 Shear strength of the joints brazed for different time

2.3 保温时间对断裂路径和断裂行为的影响

为分析钎焊时间对接头断裂行为的影响,对接头的断裂路径和断面进行了分析。图6为剪切试验后接头的断裂路径。图7为接头断口形貌,表4为图7中标记成分(原子分数)及可能相。当保温1 min时,由于高温维持时间较短,元素扩散不能充分进行,钎缝中心部位留存的大块脆性CrB相成为裂纹萌生扩展的源头,断口呈现明显的脆性断裂特征,断口处含有较多的Ni元素,也说明接头断裂在钎缝的中心区域。

图6 保温时间对钎焊接头断裂路径的影响Fig.6 Fracture path of brazing joints with different brazing time

图7 不同保温时间下钎焊接头的断口形貌Fig.7 Fracture microstructure of brazing joints with various holding time

表4 图7中标记点成分及可能相Tab.4 Chemical composition and possible phases of spots marked in Fig.7

随着保温时间的延长,钎料中的B元素向两侧母材的扩散程度增加,钎缝中的大块CrB相变为细小片状结构,裂纹扩展源头减少。同时母材中Fe元素向钎缝中溶解,与Ni元素作用形成(Fe,Ni),该区域成为接头的薄弱区,断口观察到大量的韧窝,钎焊接头断裂为韧性断裂,接头断裂于扩散区与钎缝区的界面。

随着保温时间进一步延长,CrB相沿奥氏体晶界大量渗入母材,同时Cr元素和Fe元素生成了σ-FeCr相,导致近焊缝区母材脆性增加,接头断裂于扩散区及晶间渗入区;保温15 min时钎焊接头断口处含有较多Fe元素,接头断裂裂纹形成于晶间渗入区,表现出脆性断裂特征。

3 结论

1)采用BNi-2非晶钎料在1 000 ℃不同保温时间下实现了1Cr18Ni9Ti不锈钢的真空钎焊,钎焊接头包含3个区域,钎缝区为富Ni基体和CrB相,扩散区为(Fe,Ni),晶间渗入区为σ-FeCr和CrB相。

2)随着保温时间的延长,钎缝中的CrB相由大块状变成细小片状,钎料和母材充分反应,钎缝宽度逐渐减小,CrB相的晶间渗入程度加剧。

3)随着保温时间的延长,接头抗剪强度变化趋势为先升后降,当保温10 min时获得的接头抗剪强度最大,为248 MPa。

4)当保温时间较短时,接头断裂在钎缝中富Ni基体和CrB处,断裂形式为脆性断裂;保温时间延长后,接头断裂在扩散区的(Fe,Ni)处,断裂形式为韧性断裂;当保温时间为15 min时,接头断裂于母材晶间渗入区的σ-FeCr和CrB相处,呈脆性断裂。