Microstructure and properties of boron carbide ceramic brazed joints with high nitrogen steel
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摘要:
使用 Ag-Cu-Ti 钎料实现了碳化硼(B4C)陶瓷与高氮钢之间的可靠钎焊连接,研究了Ti元素含量对Ag-Cu-Ti 钎料润湿铺展性能的影响,分析了Ti元素影响钎焊接头界面组织的作用机制,并在室温条件下测试了钎焊接头的抗剪强度. 结果表明,当钎料Ag-Cu-Ti钎料中的Ti元素含量为4.5%时,钎料在B4C陶瓷与高氮钢上均表现出良好的润湿性能,铺展形貌良好,铺展面积更大,在钎焊温度910 ℃,保温时间25 min的焊接条件下,Ti元素含量为4.5%的钎料与B4C陶瓷和高氮钢均实现了良好的冶金结合,显微组织分析结果表明,钎焊接头组织在陶瓷侧反应层存在TiB和TiC,而在高氮钢侧反应层中出现了TiFe2,TiN和CuTi2,B4C陶瓷/高氮钢钎焊接头的最大抗剪强度为54 MPa.
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关键词:
- Ag-Cu-Ti 钎料 /
- 碳化硼陶瓷 /
- 高氮钢 /
- 润湿铺展性能 /
- 抗剪强度
Abstract:The reliable joining between B4C ceramic and high nitrogen steel was obtained using Ag-Cu-Ti filler metal. The wettability and spreadability of Ag-Cu-Ti filler metal with different Ti contents on B4C ceramics and high nitrogen steel were studied, as well as the microstructure and shear strength of brazed joints were investigated. The results indicated that when the Ti content reaches 4.5wt%, the filler metal possess better wettability and spreadability effect on both B4C ceramics and high nitrogen steel. The result of microstructure analysis indicated that TiC and TiB exist in the microstructure of brazing joints along ceramic side, while TiFe2, TiN and CuTi2 exist along steel side. As a result, the maximum shear strength of brazed joint reached 54 MPa,.
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Keywords:
- Ag-Cu-Ti filler metal /
- B4C ceramic /
- high nitrogen steel /
- wettability /
- shear strength
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0. 序言
B4C陶瓷具有低密度、高硬度、高强度、高弹性模量、高熔点以及良好的热稳定性和耐腐蚀性等特点,在高温研磨材料、核工业等领域[1-3]有着独一无二的优势,尽管B4C陶瓷拥有众多优异的材料性能,但其韧性差、易脆裂等特点使其难以加工,极大限制了B4C陶瓷的应用.
为了解决这一问题,可以将B4C陶瓷与钢等金属连接后使用,实现优势互补,兼具B4C陶瓷本身的优异性能及金属较好的塑性韧性[4-5].陶瓷与金属连接的方法主要分为钎焊、扩散焊和自蔓延高温合成焊接等[6-8],活性钎焊法是目前最广泛应用的技术,工艺简单一步即可完成,使用高温熔化液态钎料中的活性元素如Ti,Zr,Ta等,通过与陶瓷发生化学反应,从而达到连接的目的,该方法整体连接强度高,接头性能稳定[9].
关于Si3N4,Al2O3陶瓷和不锈钢的连接在现有研究中取得了成果,周澄[10]采用Ag-Cu-Ti钎焊Si3N4陶瓷和316L不锈钢,在890 ℃保温10 min时接头最大剪切强度为89 MPa;吴立舟[11]采用Ag-Cu-Ti钎焊A12O3陶瓷和304不锈钢,当钎焊温度为810 ~ 830 ℃、保温时间为5 ~ 20 min时,接头处热应力相对较小.
国内外目前关于B4C陶瓷与金属的连接研究较少,文中基于活性钎焊进行B4C陶瓷与高氮钢的连接研究,高氮钢由于其优异的性能,被广泛应用于海洋工程、航空航天等领域,相比传统奥氏体不锈钢,高氮钢中所添加的N元素作为合金元素可以和钢中的其他合金元素(如Mn,Cr,V,Ti等)共同作用,在不牺牲塑性和韧性的同时,还能提高高氮钢的强度等性能.
文中采用Ag-Cu-Ti活性钎料实现了B4C陶瓷与高氮钢的真空钎焊连接,研究了不同Ti元素含量的钎料在B4C陶瓷与高氮钢上的润湿铺展性能,以及钎焊接头的组织形貌与力学性能,研究结果可为复杂结构的B4C陶瓷与高氮钢结构件连接提供理论和试验基础.
1. 试验方法
试验采用纯度99.95%的B4C陶瓷和P900N高氮钢,高氮钢的化学成分见表1,钎料为Ag-Cu-Ti钎料粉末,成分为(质量分数,%)68.8Ag,26.7Cu,4.5Ti和70.2Ag,27.3Cu,2.5Ti,为了便于接头钎焊,使用常用溶剂、助剂将钎料粉末配置成膏状钎料.
表 1 高氮钢主要化学成分(质量分数,%)Table 1. Chemical composition of high nitrogen steelC Ni Cr Mn N S Si 0.02 1.07 19.58 18.53 0.75 0.001 0.02 B4C陶瓷和P900N高氮钢的铺展试样尺寸均为20 mm × 20 mm × 3 mm,接头试样尺寸分别为10 mm × 10 mm × 10 mm和20 mm × 20 mm × 3 mm.根据国家标准GB/T 11364—2008《钎料润湿性试验方法》进行Ag-Cu-Ti钎料在母材表面的铺展性能测试,试验前使用金相砂纸对高氮钢待焊表面进行打磨,再使用丙酮超声清洗B4C陶瓷和高氮钢试样约5 ~ 10 min以去除表面脏污,铺展试验时将200 mg ± 5 mg钎料置于母材中央,将试样放入真空热压炉在910 ℃下保温10 ~ 25 min,冷却后取出试样,测量记录钎料在B4C陶瓷和高氮钢上的铺展面积,测量5组试样结果取平均值.
连接试验时将焊前处理好的B4C陶瓷、钎料和高氮钢组装成焊件,如图1所示,放入真空钎焊炉进行钎焊,钎焊过程中不施加压力,炉中的真空度保持在5 × 10−3 Pa,以10 ℃/min升温至910 ℃后保温25 min,再以10 ℃/min降温至400 ℃,然后随炉冷却至室温.
根据国家标准GB/T 11363—2008《钎焊接头强度试验方法》测试B4C陶瓷/高氮钢钎焊接头的抗剪强度,使用自制夹具在岛津电子万能试验机AG-Xplus上进行测试,加载速率为0.05 mm/s,每种钎焊接头均测试5个试样,取其平均值作为抗剪强度.使用Quanta250型扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)与能谱分析仪(energy dispersive spectrometer,EDS)对接头的组织形貌以及反应层各元素的含量进行观察分析,并通过Bruker-AXS D 8 Advance X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)分析组织中界面反应产物的成分.
2. 试验结果与分析
2.1 Ag-Cu-Ti钎料的润湿铺展性能
图2为不同Ti元素含量的Ag-Cu-Ti在B4C陶瓷与高氮钢表面的铺展形貌,图2(a)和图2(b)为B4C陶瓷上的典型铺展形貌,图2(c)和图2(d)为高氮钢上的典型铺展形貌,从图中可以看出,两种钎料在两种母材上的铺展形貌均较为规整,且基本没有飞溅的产生.
两者在B4C陶瓷和高氮钢上的润湿铺展性能存在差异,图3为两种钎料在B4C陶瓷和高氮钢上的铺展面积结果,结合图2和图3可以发现,含4.5%Ti元素钎料在B4C陶瓷和高氮钢上的铺展面积大于含2.5%Ti元素钎料,含4.5%Ti元素钎料能够实现对B4C陶瓷和高氮钢更好的润湿,Ti元素一方面能够降低固/液界面以及钎料合金熔体的表面张力,另一方面能够与B4C陶瓷和高氮钢在界面发生化学反应,改善钎料润湿铺展性能.
2.2 钎焊接头显微组织
图4为两种钎料连接B4C陶瓷/高氮钢接头的界面组织典型形貌,接头显微组织从左到右分别为:B4C陶瓷、陶瓷侧反应层、钎料层、高氮钢侧反应层和高氮钢,见图4(a)和图4(b),钎料层中分布着浅色相和深色相,这两种不同的相是在冷却过程中组织生成的Ag基固溶体与Cu基固溶体.
使用含2.5%Ti元素钎料所形成的接头在B4C陶瓷一侧,可以观察到明显的孔洞见图4(c),在高氮钢一侧钎料与母材连接良好没有缺陷的出现见图4(d),而使用含4.5%Ti元素钎料所形成的接头情况又有所不同见图4(e)和图4(f),接头在陶瓷侧反应层平整连续且厚度均匀,钎料与两种母材的连接情况均十分良好,没有孔洞和微裂纹等明显缺陷.
试验过程中,随着温度的升高,钎料中的助剂发生气化,钎料逐渐开始熔化,Ti元素向两侧母材扩散并与母材发生反应,结合2.1的试验结果,含2.5%Ti元素钎料在B4C陶瓷表面润湿铺展性能较差,较差的润湿铺展性能会导致钎料的流动性不足,无法形成良好的接头.
表2为图4中各点的EDS分析结果,从表中可以看出,两种钎料所获得的接头组织中Ti元素均聚集在靠近界面反应层处,而含4.5%Ti元素钎料获得的接头组织中Ti元素整体含量更高.
表 2 图4中各点的EDS分析结果(原子分数,%)Table 2. EDS analyzed results of Fig.4点 B C Ag Cu Ti Fe N A 14.09 35.46 0.82 13.90 35.56 0.17 — B — — 1.97 14.34 33.87 42.2 7.62 C 12.94 28.08 4.12 4.62 49.95 0.29 — D — — 2.15 8.74 41.66 36.74 10.71 E — — 0.67 6.73 47.83 16.12 28.65 F — — 3.99 62.43 21.66 5.82 6.1 对于B4C陶瓷/高氮钢接头的连接,反应层的形成主要依赖于Ti元素与母材的反应,当Ti元素含量不足时,钎料与母材间的反应不够充分,导致钎料与母材无法形成稳定的反应层,因此当钎料中Ti元素含量为2.5%时,接头组织中出现了孔洞、反应层不连续等缺陷,如图4(c)所示.
C点处的能谱结果表明,该处主要由B,C和Ti元素组成,与文献[12]的结果一致,说明文中钎料也与B4C陶瓷反应生成了Ti-C和Ti-B化合物,高氮钢一侧反应层主要由D点的灰色相构成,能谱结果表明其主要成分为Ti,Fe,Cu,还含有少量的N,同时在靠近高氮钢母材侧的E点能谱结果显示N,Ti含量较高,F点靠近反应层灰色相的主要元素为Cu和Ti.在试验焊接温度下,Ti元素与母材中的Fe元素能够发生反应生成Fe-Ti相,与N元素反应会生成Ti-N化合物,与钎料中的Cu元素可生成Cu-Ti相[13].
为了确定组织中各相的成分,通过XRD对使用含4.5%Ti元素钎料获得的接头进行分析,结果如图5所示,可以发现接头界面组织中包含TiB,TiC,TiFe2,TiN,CuTi2等金属间化合物,说明钎料与母材实现了良好的结合,在钎焊接头中B4C陶瓷侧反应层存在TiB和TiC,而在高氮钢侧反应层中存在TiFe2,TiN和CuTi2.
2.3 抗剪强度
对两种钎料所形成的接头在室温下进行了抗剪强度测试如图6所示,含4.5%Ti元素钎料接头强度可以达到54 MPa,而含2.5%Ti元素钎料接头强度为33.9 MPa,明显低于含4.5%Ti元素钎料接头强度,这是因为含2.5%Ti元素钎料Ti元素含量较低,导致钎焊接头陶瓷侧出现了缺陷,对抗剪强度造成了不利的影响.
国内外目前B4C陶瓷钎焊资料较少,在以往的研究结果中[14],同为碳基陶瓷的SiC与316L不锈钢的接头抗剪强度最大为32 MPa,碳/碳化硅复合材料(C/SiC)与Q235碳钢的接头抗剪强度最大为25.5 MPa.而文中的结果,使用含4.5%Ti元素钎料所获得的接头抗剪强度达到了54 MPa,已明显优于其他类别陶瓷与钢的抗剪强度.
3. 结论
(1) 钎料在B4C陶瓷和高氮钢上均表现出良好的润湿铺展性能,含4.5%Ti元素的钎料在B4C陶瓷与高氮钢上铺展形貌良好,铺展面积更大.
(2) 在钎焊温度910 ℃,保温时间25 min的焊接条件下,使用4.5%Ti元素的钎料与B4C陶瓷和高氮钢均实现了良好的冶金结合,在陶瓷侧反应层存在TiB和TiC,而在高氮钢侧反应层中出现了TiFe2,TiN和CuTi2.
(3) 使用4.5%Ti元素的钎料获得的B4C陶瓷/高氮钢钎焊接头抗剪强度为54 MPa,比使用2.5%Ti含量获得接头的抗剪强度高约59%.
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表 1 高氮钢主要化学成分(质量分数,%)
Table 1 Chemical composition of high nitrogen steel
C Ni Cr Mn N S Si 0.02 1.07 19.58 18.53 0.75 0.001 0.02 表 2 图4中各点的EDS分析结果(原子分数,%)
Table 2 EDS analyzed results of Fig.4
点 B C Ag Cu Ti Fe N A 14.09 35.46 0.82 13.90 35.56 0.17 — B — — 1.97 14.34 33.87 42.2 7.62 C 12.94 28.08 4.12 4.62 49.95 0.29 — D — — 2.15 8.74 41.66 36.74 10.71 E — — 0.67 6.73 47.83 16.12 28.65 F — — 3.99 62.43 21.66 5.82 6.1 -
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