维普资讯 http://www.cqvip.com 第29卷 第1期 核动力工程 Vb1.29.NO.1 2 0 0 8 年2月 Nuclear Power Engineering Feb.2 0 0 8 文章编号:0258.-0926(2008)01.0061・.05 几种钎料对钛合金/不锈钢钎焊接头的 钎缝强度与界面的影响 杨静,赖旭平,朱常桂,朱金霞,刘晓荣,杨军 (中国核动力研究设计院核燃 材料国家重点实验室,成都,610041) 摘要:采用4种成分的银基钎料制备了钛合金,不锈钢钎焊接头,用力学性能试验、金相试验、扫描电 镜分析及电子探针分析方法,测量了钎缝强度,分析了断口形貌和钎缝界面组织。研究表明:不锈钢 /A 5cuNiLi/钛合金钎缝强度可达220 MPa,在不锈钢/Ag95CuNiLi扩散区形成了脆性相;不锈钢 /Ag88AI10MnS ̄钛合金钎缝强度为242 MPa,不锈钢/Ag88AI10MnSi一侧的钎缝区易形成裂纹;不锈钢 /Ag85, ̄8Sn/'钛合金钎缝强度只有123 MPa;不锈钢/Ag85A18SnNi/-'钛合金钎缝强度可达280 MPa,钎料与母 材冶金结合较好。 关键词:钎料;钎缝强度;界面组织 中图分类号:TG454 文献标识码:A 1 前言 2.2试验方法 钛合金与不锈钢高质量的冶金结合在核装 参照GB8619,.88《钎缝强度试验方法》进行 置中具有广泛的应用前景,如乏燃料后处理设备 钎缝强度实验,对接头拉断后的试样进行断口分 中需将钛合金与不锈钢可靠密封连接等。在核装 析,并采用电子探针定量测定了断口处多个位置 置中,要求钛合金与不锈钢的连接强度高、界面 的化学成分。 冶金结合良好,具有可靠性高、耐腐蚀性能优良、 搭接试样的母材尺寸为18 mmx15 mm ̄ 使用寿命长等特点,但至今各种工艺方法仍不能 2 iflm,经240号水磨砂打磨,钎料和打磨后的母 完全实现这一要求【ll。钎焊是实现钛合金与不锈 材用汽油清洗、超声波热水清洗、乙醇清洗,吹 钢高质量冶金结合的技术方案之一,影响钎焊接 干后放入无水乙醇中静置一定时间,取出后吹 头强度(钎缝强度)的主要因素有钎料、钎焊间隙、 干。将片状钎料置于钛合金与不锈钢之间,加2Og 钎焊工艺参数等,这些因素也直接决定了钎缝界 ( 9.8m/s )载荷于顶板上,在真空钎焊炉中制备 面的组织特征,决定了钎焊接头的质量L2J。本文 搭接试件。在金相显微镜下观察搭接试样横截面 主要讨论几种钎料对钛合金与不锈钢钎焊接头的 钎料/_母材扩散层、钎缝缺陷、钎缝组织等,采用 钎缝强度与界面特征的影响,以供接头的设计、 扫描电镜观察接头的微观形貌。 制造和使用者参考。 3钎料对钎焊接头钎缝强度的影响 2原材料及试验方法 通常,异种金属钎焊接头主要存在两个方面 2.1原材料 问题:①钎缝的强度一般较低;②由于异性母材 实验中采用的母材为钛合金与不锈钢异种 的热物理性能存在较大差异,易于导致钎焊接头 金属。不锈钢为0Crl8Ni10Ti奥氏体不锈钢,钛 失效。为了提高钎缝强度,改善钎缝组织,一般 合金含4.O%~5.0%AI和1.8%~2.5%V。钎料为 在钎料选择、钎焊间隙控制以及钎焊工艺的优化 Ag95CuNiLi、Ag88AI 1 OMnSi、Ag85AI8SnNi与 等方面采用措施。为了满足钎焊接头与母材等强 Ag85AlSSn 4种成分的银基钎料。 度要求,一般采用“三倍”设计原则【jj。 收稿日期:2006.I1.14;修回日期:2007-03.15 维普资讯 http://www.cqvip.com 62 核动力【程 Vo1.29.NO.1.2oo8 3.1 Ag95CuNiLi钎料 一使用Ag95CuNiLi钎料制备了多个钎缝剪切 和拉伸试样,剪切强度在l 09~l 39 MPa,拉伸强 度在200- ̄220 MPa。从实验结果来看,钛合金 /Ag95CuNiLi/不锈钢钎缝的强度比较理想,但仍 不能满足核装置对接头强度的要求。为了保证接 侧和不锈钢一侧的钎缝断E1分别在扫描电镜 (SEM)下进行了观察。图2是在900 oC保温6min 条件下制备的接头的断El形貌。从图中可以看出, 不锈钢一侧断El的断裂形式和钛合金一侧断El的 断裂形式有所不同,但韧性断裂的特征比较明显。 用电子探针对断El的l0个位置进行了元素定量 头在核装置中的可靠性,应在钎焊连接结构上采 取措施。 图l是Ag95CuNiLi钎料的钎缝断口形貌, 从图中可以看出,脆性断裂和韧性断裂同时存在。 表l列出了断口成分,可以看出在断口处具有明 显的不锈钢成分特征,断裂位置在靠近不锈钢一 侧的钎缝区域。因此,Ag95CuNiLi与不锈钢的 钎焊界面是该钎焊接头中最薄弱的位置。 a钛合金一侧 b不锈钢一侧 图1 Ag95CuNiLi钎缝断121形貌 Fig.1 Fractograph of Brazed Joint Using Ag95CuNiLi 表1钎缝断口成分% 钎料 AI Ti Cr Mn Ag95CuNiLi 原子分数 1.04 l7.63 9.52 0.02 质量分数 0.40 l2.O7 7.07 0.40 钎料 Fe Ni Cu Ag Ag95CuNiLi 原子分数 35.27 2.93 2.2O 30.69 质量分数 28.15 2.77 2.OO 47_3O 3.2 Ag88AI 1 0MnSi钎料 用Ag88AI10MnSi钎料制备的钛合金/不锈 钢钎焊接头,其钎缝的抗拉强度达到242 M-Pa, 剪切强度达到154 M-Pa,对拉伸试样后的钛合金 分析,各元素质量分数(%1如下: Si:4.63-17.67;AI:3.25-29.07;Cr:5.28-7.98: Mn:4.7 l4.30;Fe:26.72--45.29.Ag:o ̄1.36; Ni:2.22:7.81;Ti:0.02~l_30。 从焊缝断El处的元素化学成分可以看出,断 口处具有明显的不锈钢成分特征,因此,断裂位 置在钎缝区域,并靠近不锈钢一侧。从接头钎缝 的微观分析发现,在不锈钢/钎料界面产生了裂 纹,因此,不锈钢/钎料界面是接头最薄弱的位置。 a钛合金一侧 b不锈钢一侧 图2接头断口SEM照片 Fig.2 Fractograph ofBrazed Joint Using Ag88AI 1 0MnSi(SEM) 3.3 Ag85AI8SnNi与Ag85AI8Sn钎料 Ag85A18SnNi钎料制备的钛合金/不锈钢 钎缝的剪切强度和拉伸强度可达到164 M-Pa和 287 M-Pa。钛合金/Ag85AI8Sn/不锈钢钎缝的剪切 强度和拉伸强度为73 MPa和123 MPa。从钎缝 强度结果来看,用Ag85AI8SnNi的钎缝强度高 于Ag85AI8Sn钎料的钎缝强度。对拉伸试样后的 钛合金一侧的钎缝断口和不锈钢一侧的钎缝断口 分别在扫描电镜下进行了观察,图3为Ag85AI8 维普资讯 http://www.cqvip.com 杨静等:几种钎料对钛合金/不锈钢钎焊接头的钎缝强度与界面的影响 63 了元素定量分析,Ag85AI8SnNi钎料和 Ag85AI8Sn钎料制备的接头的断口处各元素成分 范围如表2所示。可以看出,两种钎料的接头的 断裂位置都在钎缝区域,并靠近不锈钢一侧; Ag85AI8SnNi钎料钎缝断口处镍含量明显高得 多,说明该钎料与不锈钢之间具有较好的扩散性, 因而钎缝的强度较高。 a钛合金一侧 表2钎缝断口成分% Table 2 Chemical Compositions of Fractured Surface% 化学元素 成分范围(质量分数) Ag85A18SnNi Ag85AI8Sn Sn O.14~8.O5 0,0-35 Al l9.47~28.59 10.04-34.33 Cr 3.18 ̄5-32 5.20^ .5 l Fe 33.99—41.38 36.65—45.25 Ag 5.18^6.97 7.24—82.74 b不锈钢一侧 Ni 31.02 ̄34.2l 2.O2^6.96 图3 Ag85A18SnNi接头断121的SEM照片 Ti 0.05-0.67 2.5 l~l3.38 Fig.3 Fractograph ofBrazed Joint Using Ag85A18Sn6Ni(SEM) 4钎缝界面特征 4.1 Ag95CuNiLi钎料 图5为钛合金/不锈钢钎缝经蚀刻后的组织, 在扫描电镜下对钎缝界面区组织形貌进行观测, 所得结果如图6和7所示。在钎焊界面钎料与钛 合金或不锈钢母材都形成了冶金扩散层,且扩散 a 钛合金一侧 图5钛合金/不锈钢钎缝组织 Fig.5 Micro-structural Characterization of Brazed Joint b 不锈钢一侧 图4 Ag85A18Sn接头断El的SEM照片 Fig.4 Fractograph of Brazed Joint Using Ag85A18Sn(SEM) Sn6Ni钎料在900℃保温6 min条件下制备的接 头的断口形貌。从图中可以看出,断裂形式主要 为韧性断裂。图4为Ag85AI8Sn钎料在880℃保 温6 min条件下的接头断口形貌,断裂形式主要 图6钛合金/钎料界面SEM形貌 是韧性断裂。用电子探针对断口的j0个位置进行 Fig.6 SEM Morphology of Ti-base Side Interface 维普资讯 http://www.cqvip.com 核动力:I:程 Vo1.29.No.1.2008 图7不锈钢/钎料界面SEM形貌 Fig.7 SEM Morphology ofTi Stainless Steel Side Interface 层厚度比较均匀。在SEM下,利用x射线能谱 测量分别测定各特征微区的成分,各特征区域的 标识如图6、图7所示,微区成分分析结果见表3。 从以上结果来看,钎缝界面结合紧密,在钎缝的 扩散区、界面区和钎缝中心区没有发现微裂纹。 钎缝钛合金一侧形成3种组织区域;不锈钢一侧 形成了3种金属间化合物类型的界面区组织,扫 描电镜下可以观察到3层化合物的特征。从D、 E、F微区成分来看,其金属间化合物由Ti、Cu、 Fe、Ni、Ag等组成 j。 表3 x射线能谱特征微区成分原子分数% Table 3 Region Composition for Brazed Joint% 微 区 .K AI-K Ag—L Cu.K Fe.K Cr-K Ni.K A 80.42 6.10 2.72 lO.1l 0.46 0.19 B l3 39 1.6O 24.29 59.68 0.65 O-39 C 2.92 O.42 25.8O 70.16 0.28 O-39 D l1.07 ll33 3.65 79.o6 2.57 0.14 2.17 E 22.33 0.26 8.06 61.99 4.7l 1.27 l-38 F 3.OO O.4l 0.03 1.73 66.26 23.o6 3.24 4.2 Ag88AI10MnSi钎料 在金相显微镜下可以明显地观察到不锈钢/ 钎料扩散层,但钛合金 钎料扩散层不明显。扩散 层的厚度与钎焊温度和时间密切相关,温度升高, 时间延长,扩散层厚度增加,不锈钢 钎料一侧扩 散层厚度大于钛合金/钎料一侧扩散层的厚度。这 是因为钎料中的铝与钛反应较弱,同时钎料中的 硅在不锈钢中具有较强的反应扩散能力的缘故。 在880 oC、ll min条件下钎焊时,钎缝中未出现 裂纹(图8a)。但温度升高,钎焊时间延长,钎料 中的Si与不锈钢的反应加剧,脆性化合物增加, 裂纹将在钎缝中的不锈钢一侧形成(图8b)。 4.3 Ag85AI8SnNi钎料 基材与钎料之间有较明显的反应层,且反应 层完整,厚度均匀,冶金结合良好(图9),钎焊温 a 920℃、ll min b 880℃、6min 图8钎缝中的裂纹(SEM) Fig.8 Crack Morphology of Fillet(SEM) a 850℃、6 min 图9钎缝扩散层形貌 Fig.9 Microstructure ofFillet 度提高,时间延长,反应扩散层的厚度增加。钎 缝致密,无气孔、裂纹等缺陷。 5结论 (1)Ag95CuNiLi钎料和Ag88A10MnSi钎料 制备的钛合金/不锈钢钎焊接头中存在脆性反应 扩散层,拉伸试验时,钎缝失效于扩散层上; Ag85AI8SnNi钎料与钛合金和不锈钢具有较好的 维普资讯 http://www.cqvip.com 杨静等:几种钎料对钛合金/不锈钢钎焊接头的钎缝强度与界面的影响 65 冶金结合。 lar Metal Joint at System Integrated Modular Advance- (2)本文使用的几种银基钎料制备的钎焊接 dreactor[R.KAE /AR一589/2o0 l(KAE-IAR589200 1). 头,其钎焊缝强度最大达到280 MPa,如要提高 【2】张启运,庄鸿寿主编.钎焊手册【M】.北京:机械工业 出版社,1999. 钎焊接头的强度,应在钎焊结构上采取措施。 【3】Robert L,Peaslee.Long Service Life Depends on Good Braze Joint Properties[J].Welding Journal,1 996,8:56~ 参考文献: 59. 【1】Kwon SangChul,Kim SungHo,KimYongWan,eta1. 【4】杨静,朱常桂,王飞等.钛合金/不锈钢钎焊接头的组 Brazing Technology of Ti Alloy/Stainless Steel Dissimi— 织特征【J】.核动力工程,2005,26(4):402--405. Effect of Several Fillers on Brazing Metal Strength and I nterface of Titanium Alloy and Stainless Steel Brazing Joint YANG Jing,LAI Xu-ping,ZHU Chang-gui,ZHU Jin-xia, LIU Xiao-rong,YANG Jun (National Key Laboratory for Nuclear Fuel&Materials,Nuclear Power Institute ofChina,Chengdu,610041,China) Abstract:Four kinds of silver base brazing materials were adopted for fabricating brzaing ioints of tim. nium alloy and stainless stee1.The mechanical properties of brazing metal at contact face Was measured nad the fracture morphology and structure of interface were studied by mechanical test,metallographic examina- tion.SEM analysis and electron probing analysis.The result shows that the strength of brazing metal at stainless steel/Ag95CuLi/Titanium alloy Was 220 MP色242 MPa ta stainless steel/Ag88Al l 0】 Si/Titanium alloy,123ⅣIPa at satinless steel/Ag85A18Sn/Titanium alloy,and 280ⅣIPa ta stainless steeI/Ag85A18SnNi/ Titanium alloy.The fragile phase Was easy formed in the dilfusion part of stainless steel/Ag95CuLi.and cracking in hte stainless steel/Ag88Al l 0MnSi.And there iS a wonderful coalescence Oil metallurgy between hte brazing materials and titanium alloy or stainless stee1. Key WOrds:Brazing ifller,Joint intensity,Structure of interface 作者简介: 杨静(1967一),男,研究员。1989年毕业于山东大学功能材料专业。现从事核材料研究。 赖旭平(198O一),男,2002年毕业于哈尔滨工程大学。现从事反应堆工程科研管理工作。 朱常桂(195O一),男,研究员。1976年毕业于清华大学核化工专业。现从事核燃料及材料研究。 (责任编辑:张明军) (上接第6O页) 作者简介: 昝元峰(197O一),男,副研究员。2004年毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业,获硕士学位。现主要 从事气-液两相流、反应堆热工水力与安全、超临界流体技术和环境保护等方面的研究工作,在国内外期刊杂志上发表 有关论文l0余篇,获专利两项。 王涛涛(1981-),男,助理工程师。2002年毕业于西安交通大学核工程专业,获学士学位。现主要从事反应堆工 程管理 [作。 肖泽军(1967一),男,研究员。2004年毕业于西安交通大学反应堆工程专业,获博士学位。现主要从事反应堆安 全传热及曲相流方面的研究。 (责任编辑:尚作燕)