沈元勛，王路乙，李秀朋，李云月，宋曉國，龍偉民,3

(1.鄭州機械研究所有限公司,新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室,鄭州,450001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室,哈爾濱,150001；3.中機智能裝備創(chuàng)新研究院(寧波)有限公司,寧波,315700)

0 序言

鎢銅合金(WCu)兼具了鎢和銅的優(yōu)良屬性，具有高強度、高硬度、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、低膨脹系數(shù)、耐電弧侵蝕、抗氧化等優(yōu)異性能，在航空航天、高端裝備、電子、電力、熱核聚變等行業(yè)應(yīng)用廣泛，是耐高溫構(gòu)件、高壓開關(guān)電工合金、電加工電極、電子封裝、偏濾器等零部件制造理想的功能材料[1-3].但鎢銅合金塑性低、可加工差，在大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎢銅部件加工方面極其困難，實際使用中往往需要與異種金屬連接使用.因此研究鎢銅合金與異種金屬的連接技術(shù)對其應(yīng)用推廣具有重要意義.

鎢屬于不活潑金屬，冶金相容性差、線膨脹系數(shù)低，導(dǎo)致鎢銅合金可焊性差，尤其是鎢含量較高的鎢銅合金其連接極其困難.擴散焊、釬焊是鎢合金最有效的連接方法之一.文獻報道表明，采用V，V/Ni，V/Nb，AgCu 以及Ti/Cu 等單層或復(fù)合中間層，在真空、高溫、高壓力下通過擴散固溶或活性反應(yīng)可以實現(xiàn)鎢-鋼[4-7]、鎢銅-銅[8-9]、鎢-鉬[10]等鎢與異質(zhì)材料的擴散連接.釬焊技術(shù)具有產(chǎn)品精度高、生產(chǎn)效率高和成本低等特性，與擴散焊相比，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件連接方面更靈活、更有優(yōu)勢，一直是異質(zhì)材料連接技術(shù)研究熱點之一.

汪從喜[11]采用CuMn 系列釬料研究了鎢銅與不銹鋼的釬焊行為，接頭抗彎強度達到450 MPa.楊駿[12]研究了NiCrSiBFe-Ti 非晶釬料釬焊鎢銅與不銹鋼異質(zhì)接頭界面組織與性能，孫威威[13]研究了其接頭的熱疲勞機理和高溫性能.劉天鷙等人[14]研究了鐵基非晶釬料釬焊鎢與鋼組織與性能.Diana 等人[15]以釩做中間層，采用CuTi 釬料釬焊鎢與鋼，接頭表現(xiàn)出優(yōu)異的強度和抗熱震性能.

目前關(guān)于鎢銅與異質(zhì)材料釬焊連接領(lǐng)域在真空、高溫環(huán)境下的釬焊研究較多，而在低溫、非真空條件下報道較為匱乏.鈹青銅與純銅相比，除良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性之外，還具有高強度、高硬度、高彈性以及耐腐蝕、耐磨性等優(yōu)異性能.因此，鎢銅與鈹青銅連接將更能發(fā)揮導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高彈以及耐磨等特性.針對鎢銅合金與鈹青銅的非真空釬焊連接，基于高頻感應(yīng)釬焊方法，采用銀基釬料在相對低溫情況下釬焊鎢銅與鈹青銅，研究分析了釬焊界面組織與接頭力學(xué)性能，開發(fā)鎢銅合金與異質(zhì)材料的釬焊方法，并對其應(yīng)用拓展提供基礎(chǔ)理論和工藝指導(dǎo).

1 試驗方法

試驗所用母材為鎢銅合金CuW80 (名義成分Cu：20%±2%,質(zhì)量分數(shù),%)和鈹青銅QBe2.0(Be:1.8%～ 2.1%,Ni:0.2%～ 0.4%,Fe:≤0.15,余量Cu,質(zhì)量分數(shù),%).試驗前將母材均切割為50 mm ×18 mm × 18 mm 尺寸樣品.試驗所用3 種銀基釬料牌號、成分與熔化溫度特性如表1 所示，使用規(guī)格均為18 mm × 18 mm × 0.19 mm 箔片，配合采用QJ102 粉狀釬劑.所用釬料與釬劑均為鄭州機械研究所有限公司生產(chǎn).試驗前將鎢銅/釬料/鈹銅順序裝配并采用卡具固定垂直放置，采用高頻感應(yīng)焊機實施接頭的焊接，設(shè)定加熱程序，并用紅外測溫控制釬焊溫度在釬料液相線以上40 ℃±10 ℃，釬焊保溫時間60 s，釬焊結(jié)束后自然冷卻至室溫.試驗將鎢銅/鈹青銅釬焊接頭制成金相試樣，經(jīng)過磨樣、拋光后，采用AxioScope.A1 光學(xué)顯微鏡和Phenom Pro XL 型掃描電子顯微鏡對釬焊界面組織與元素分布進行分析.接頭強度測試樣品參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11363—2008《釬焊接頭強度試驗方法》要求加工成板狀試樣，采用MTS E45.105 萬能材料力學(xué)試驗機進行接頭抗拉強度測試.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 釬焊界面顯微組織形貌

圖1 為BAg56CuZnSn 釬焊WCu/QBe 接頭焊縫界面形貌.可以看出，釬料與被焊母材之間界面形成良好冶金結(jié)合.表2 中列出釬縫典型組織能譜分析結(jié)果.由圖1 和表2 可知，釬料與鈹青銅界面出現(xiàn)互擴散區(qū)，形成由富含Ag 和Zn 元素的Cu(Ag,Zn)固溶體組織(標(biāo)記點1)，且部分Cu(Ag,Zn)固溶體呈島狀垂直釬縫方向生長.釬縫主要有富Ag(Cu,Zn)固溶體(標(biāo)記點2)、不規(guī)則形狀Cu(Ag,Zn)固溶體(標(biāo)記點3)組成和條紋狀共晶組織組成.在釬料與鎢銅釬焊界面附著生成顆粒狀富Cu(Zn)固溶體.標(biāo)記點5 成分表明，在鎢銅基體近釬焊界面區(qū)域，由于釬料滲入、擴散，鎢銅基體內(nèi)部銅顆粒形成富含Zn 和Ag 元素的Cu(Zn,Ag)固溶體，表明釬料發(fā)生明顯熔滲現(xiàn)象.此外由于W 元素的不活潑屬性，釬縫中并未明顯檢測到W 元素擴散進入釬縫的現(xiàn)象.

圖1 BAg56CuZnSn 釬焊WCu/QBe 界面形貌Fig.1 Interfacial microstructure of brazed WCu/QBe joint using BAg56CuZnSn filler metal

表2 BAg56CuZnSn 釬焊接頭界面組織能譜分析Table 2 EDS chemical analysis results of WCu/Qbe joint brazed using BAg56CuZnSn filler metal

圖2 為BAg50ZnCdCuNi 釬焊WCu/QBe 接頭焊縫界面形貌，圖3 為釬縫元素面掃描分布.可以看出釬料與母材之間界面形成良好的冶金結(jié)合.釬料與鈹銅界面則形成厚度約80 μm 的擴散區(qū)，結(jié)合表3 中焊縫界面組織能譜分析結(jié)果可以推斷，擴散區(qū)主要由Cu(Zn,Ni)(標(biāo)記A)和Ag(Cd,Cu)固溶體(標(biāo)記B).BAg50ZnCdCuNi 釬料為含Cd 元素釬料，Cd 元素的添加主要為降低釬料熔點和促進釬料流動性，含Cd 元素釬料一般具有較好的流鋪性能，且Cd 元素一般以固溶體存在[16].釬縫中心部位組織為Ag 固溶體組織中均勻的島狀銅固溶體.釬料與鎢銅釬焊界面組織與BAg56CuZnSn 釬焊接頭界面組織類似，界面附著生成島狀Cu(Zn,Ag) (標(biāo)記F)固溶體組織，但能譜分析表明該組織已含有少量W 元素，表明釬焊過程中鎢銅合金中的W 元素已向焊縫發(fā)生擴散行為.

表3 BAg50ZnCdCuNi 釬焊接頭釬縫能譜分析Table 3 EDS chemical analysis results of WCu/Qbe joint brazed using BAg50ZnCdCuNi filler metal

圖2 BAg50ZnCdCuNi 釬焊WCu/QBe 界面形貌Fig.2 Interfacial microstructure of brazed WCu/QBe joint using BAg50ZnCdCuNi filler metal.(a) image of the joint;(b) microstructure of the joint

圖3 為BAg49ZnCuMnNi 釬焊WCu/Qbe 接頭界面形貌.由于BAg49ZnCuMnNi 釬料熔點略高導(dǎo)致釬焊溫度略高于其它兩種銀釬料，因此釬料與鈹銅釬焊界面擴散程度在釬焊溫度作用下加劇，釬料與鈹銅界面則形成厚度增長至100 μm.焊縫組織細化明顯，焊縫組織為Ag(Cu,Zn)固溶體和均勻分布細小不規(guī)則Cu(Ag,Zn)固溶體組.結(jié)合圖4 焊縫合金元素面掃描分布結(jié)果，在焊縫晶粒細化情況下，釬料合金元素分布均勻，強化元素Ni 和Mn 分布與BAg50ZnCdCuNi 釬料接頭界面相比更加均勻.這種均勻、細化分布焊縫組織可以提高焊縫強度.

圖3 BAg49ZnCuMnNi 釬焊WCu/QBe 界面Fig.3 Interfacial microstructure of brazed WCu/QBe joint using BAg49ZnCuMnNi filler metal.(a)image of the joint;(b) microstructure of braze/WCu interface

圖4 BAg49ZnCuMnNi 釬焊WCu/QBe 接頭界面元素面掃描分布Fig.4 EDS elemental maps for the WCu/QBe joint brazed using BAg49ZnCuMnNi filler metal

2.2 釬焊接頭力學(xué)性能

對釬焊WCu/QBe 接頭進行抗拉強度測試，試驗結(jié)果如圖5 所示.3 種銀釬料均可以獲得較高強度釬焊接頭，其中BAg49CuZnMnNi 釬料釬焊WCu/QBe 接頭抗拉強度最高，達到250 MPa.接頭斷裂均發(fā)生在鎢銅側(cè)釬焊界面.

圖5 WCu/QBe 釬焊接頭抗拉強度Fig.5 Tensile strength of the brazed WCu/QBe joints

2.3 焊縫組織與接頭強度關(guān)系

WCu 合金為難焊金屬，W 元素含量越高其可釬焊性越差.由二元相圖可知，Cu-W 冶金相容性極差，Ag-W 也無互溶度和化合物[17].試驗用3 種銀基釬料主元素均為AgCuZn，因此AgCuZn 合金對潤鎢濕性較差.由界面組織分析可知，BAg56CuZnSn釬焊WCu 可形成良好釬焊界面，主要原因是釬料合金元素與WCu 中均勻分布的Cu 元素形成了冶金結(jié)合而促進界面結(jié)合.因此在WCu 合金中Cu 元素含量相對較低的情況下，釬焊接頭界面冶金反應(yīng)程度不足，導(dǎo)致接頭連接強度偏低.

由圖6 可知，Ni 元素中可以固溶少量W 元素，Ni-W 可形成Ni4W,NiW 和NiW2等化合物中間相.文獻研究表明，鎳基釬料高溫釬焊W，Ni 與W在釬焊界面可形成明顯的Ni(W)固溶體或Ni4W化合物.釬焊溫度越高，W 元素發(fā)生溶解擴散越明顯，在970～ 1 060 ℃溫度區(qū)間采用鎳基釬料釬焊W-W 接頭，界面生成Ni(W)固溶體，釬焊溫度升高至1 150 ℃才有Ni4W 化合物生成[18].這種Ni 與W元素的擴散、溶解可顯著提高界面潤濕性，同時也可以提高界面連接強度和強韌性[12,18].文中試驗采用BAg50ZnCdCuNi 和BAg49CuZnMnNi 兩種含Ni 元素釬料，除了釬料合金元素與WCu 合金中的Cu 元素形成滲入冶金結(jié)合外，Ni 與W 元素的固溶也進一步加強了界面冶金結(jié)合強度.此外，BAg49 CuZnMnNi 中Mn 元素的加入起到明顯細化晶粒強化作用，釬焊溫度的升高促進連接界面充分的冶金結(jié)合，接頭強度也明顯提升.

圖6 Ni-W 二元合金相圖Fig.6 Binary phase diagram of Ni-W alloy

3 結(jié)論

(1)采 用BAg56CuZnSn，BAg50ZnCdCuNi 和BAg49ZnCuMnNi 3 種銀釬料釬焊鎢銅與鈹青銅，均可獲得完好釬焊界面接頭，焊縫在鈹銅釬焊界面均形成明顯的擴散區(qū)，鎢銅釬焊界面清晰完好，釬料向鎢銅內(nèi)有明顯滲入現(xiàn)象.

(2)釬料合金元素與鎢銅合金中彌散分布的Cu 元素形成完好界面結(jié)合，Ni 與W 元素的固溶起到明顯的強化界面結(jié)合作用.

(3)釬料中Mn 元素的加入，顯著細化焊縫晶粒，元素分布更加均勻，合金化、晶粒細化強化機制明顯.Ni 和Mn 元素共同作用下接頭強度最高，達到250 MPa.