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Cr对Mo-45Ni真空钎焊TZM合金接头性能的影响

龙飞 史清宇 路全彬 林铁松 何鹏

龙飞, 史清宇, 路全彬, 林铁松, 何鹏. Cr对Mo-45Ni真空钎焊TZM合金接头性能的影响[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
引用本文: 龙飞, 史清宇, 路全彬, 林铁松, 何鹏. Cr对Mo-45Ni真空钎焊TZM合金接头性能的影响[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
Fei LONG, Qingyu SHI, Quanbin LU, Tiesong LIN, Peng HE. Effect of Cr on properties of TZM alloy joints brazed with Mo-45Ni brazing filler metal[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
Citation: Fei LONG, Qingyu SHI, Quanbin LU, Tiesong LIN, Peng HE. Effect of Cr on properties of TZM alloy joints brazed with Mo-45Ni brazing filler metal[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001

Cr对Mo-45Ni真空钎焊TZM合金接头性能的影响

doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
基金项目: 国家重点研发计划国际科技合作项目(2016YFE0201300)
详细信息
    作者简介:

    龙飞,硕士;主要研究方向为铝及铜钎焊;Email:justlf@126.com

    通讯作者: 何鹏,博士,教授,博士研究生导师;Email:hepeng@hit.edu.cn.
  • 中图分类号: TG 425

Effect of Cr on properties of TZM alloy joints brazed with Mo-45Ni brazing filler metal

  • 摘要: 根据实际工程需求,开发了能在1 300 ℃下服役的TZM合金专用钎料,并测试了该钎料在TZM合金表面的润湿性能,引入“基准润湿面积”的概念判断该钎料的润湿性,并探讨了钎料中Cr元素对钎料润湿性能、抗剪强度的影响规律. 分析了钎焊接头的强化机理,探明了接头的抗剪强度随着Cr元素的加入先变大后变小,可为实际工程应用提供重要参考. 结果表明,当钎料中Cr元素含量为3%(质量分数)时,钎料的润湿性最好,接头的抗剪强度达到135 MPa的最高值.
  • 图  1  熔炼好的钎料样例

    Figure  1.  Brazing filler metal samples by smelting

    图  2  试验所用的接头形式(mm)

    Figure  2.  Joint form used for the test. (a) butt joint of cylinder and cuboid; (b) butt joint of square plates

    图  3  Mo-45Ni系钎料钎焊TZM的真空钎焊工艺

    Figure  3.  Vacuum brazing process map for brazing TZM alloy using Mo-45Ni series brazing filler metal

    图  4  不同Cr含量的Mo-45Ni系钎料在TZM板上的润湿性的变化规律

    Figure  4.  Wettability of Mo-45Ni series brazing alloys with different Cr content on TZM plate

    图  5  Mo-45Ni系钎料TZM板上的润湿面积

    Figure  5.  Wetted area of Mo-45Ni series brazing filler metals on TZM board. (a) Mo-45Ni;(b) Mo-45Ni-1Cr; (c) Mo-45Ni-3Cr; (d) Mo-45Ni-5Cr

    图  6  Cr对Mo-45Ni钎料钎焊TZM接头抗剪强度的影响

    Figure  6.  Effect of Cr addition on shear strength of brazed joints of Mo-45Ni brazing filler metal

    图  7  Mo-45Ni系钎料真空钎焊接头的断口形貌

    Figure  7.  Fracture morphology of vacuum brazing joint using Mo-45Ni series brazing filler metals. (a) Mo-45Ni;(b) Mo-45Ni-1Cr;(c) Mo-45Ni-3Cr;(d) Mo-45Ni-5Cr

    图  8  Mo-45Ni-5Cr钎料真空钎焊断口形貌“樱花”状组织

    Figure  8.  An organization similar to "cherry blossom" in the fracture appearance of vacuum brazed joint using Mo-45Ni-5Cr brazing filler metal

    图  9  使用Mo-45Ni钎料真空钎焊TZM接头的微观形貌

    Figure  9.  Microstructure of vacuum brazing joint of TZM using Mo-45Ni brazing filler metal. (a) Mo-45Ni;(b) Mo-45Ni-1Cr;(c) Mo-45Ni-3Cr;(d) Mo-45Ni-5Cr

    表  1  图5的测量数据

    Table  1.   Measured datas of Fig.5

    试样编号润湿面积S/cm2基准润湿面积Sb/cm2
    1号2.291.635
    2号2.0451.515
    3号2.2922.128
    4号1.3471.532
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    表  2  图8中各能谱点的元素成分分析(原子分数,%)

    Table  2.   Elemental composition analysis of the energy spectrum points in Fig.8

    位置ZrOMo推测结构
    129.7668.321.92ZrO2
    230.3265.783.9ZrO2
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    表  3  图9中各能谱点的元素成分(原子分数,%)

    Table  3.   Elemental composition analysis of the energy spectrum points in Fig.9

    位置序号MoNiTiZrC推测结构
    图9a189.570.312.517.61TZM
    289.920.322.527.24TZM
    352.8847.12MoNi
    421.7778.23MoNi3
    图9b188.930.42.548.13TZM
    289.350.542.557.56TZM
    351.2847.121.6MoNi
    426.4271.252.33MoNi3
    图9c186.871.272.549.32TZM
    254.5545.45MoNi
    326.7173.291.6MoNi3
    43.4996.51Ti
    图9d188.691.922.496.9TZM
    288.091.832.747.34TZM
    350.8349.17MoNi
    426.8573.15MoNi3
    下载: 导出CSV
  • [1] Chan H Y, Liaw D W, Shiue R K. Microstructural evolution of brazing Ti-6Al-4V and TZM using silver-based braze alloy[J]. Materials Letters, 2004, 58(7−8): 1141 − 1146. doi:  10.1016/j.matlet.2003.09.007
    [2] 牛超楠, 韩桂海, 宋晓国, 等. TiZrNiCu钎料真空钎焊TZM合金接头界面组织及力学性能[J]. 稀有金属, 2014, 38(6): 283 − 289.

    Niu Chaonan, Han Guihai, Song Xiaoguo, et al. Interfacial microstructure and mechanical properties of TZM alloy joints vacuum brazed using Ti-Zr-Ni-Cu filler metal[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2014, 38(6): 283 − 289.
    [3] 徐庆元, 李宁, 熊国刚, 等. 钛基钎料钎焊石墨与TZM合金接头组织和性能研究[J]. 稀有金属, 2005, 29(6): 823 − 826. doi:  10.3969/j.issn.0258-7076.2005.06.005

    Xu Qingyuan, Li Ning, Xiong Guogang, et al. Structure and property of graphite and TZM brazing bonding with Ti filler[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2005, 29(6): 823 − 826. doi:  10.3969/j.issn.0258-7076.2005.06.005
    [4] 田骁. Ti-Ni钎料钎焊TZM合金工艺及机理研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学 , 2016.

    Tian Xiao. Research on brazing process and mechanism of TZM alloy by using Ti-Ni brazing alloys[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016.
    [5] 鲍丽, 龙伟民, 张冠星, 等. 微量Ca元素对AgCuZn钎料性能的影响[J]. 焊接学报, 2012, 33(12): 57 − 60.

    Bao Li, Long Weimin, Zhang Guanxing, et al. Effect of trace calcium on performance of AgCuZn alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2012, 33(12): 57 − 60.
    [6] Wu J, Xue S B, Zhang P. Effect of In and Pr on the microstructure and properties of low-silver filler metal[J]. Crystals, 2021, 11(8): 929. doi:  10.3390/cryst11080929
    [7] Fan Z X, Guo M, Fu W, et al. Wettability and spreading behavior of Sn-Cr alloys on SiC[J]. Materials Chemistry and Physics, 2021, 272: 124979. doi:  10.1016/j.matchemphys.2021.124979
    [8] 浦娟, 张雷, 吴铭方, 等. SnAg1.0Cu0.5对Ag30CuZnSn药芯钎料润湿性能及钎焊接头力学性能的影响[J]. 焊接学报, 2021, 42(1): 58 − 64. doi:  10.12073/j.hjxb.20201105002

    Pu Juan, Zhang Lei, Wu Mingfang, et al. Effect of SnAg1.0Cu0.5 on the wettallity of Ag30CuZnSn flux cored brazing filler and mechanical properties of its brazed joints[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2021, 42(1): 58 − 64. doi:  10.12073/j.hjxb.20201105002
    [9] Tao Y, Xue S B, Liu H, et al. Effect of Cr addition on microstructure and properties of AuGa solder[J]. Metals, 2020, 10(11): 1449. doi:  10.3390/met10111449
    [10] Lu Q B, Zhong S J, Li S N, et al. Intergranular infiltration of TZM alloy joints brazed using Ni-Ti brazing filler alloy at high temperature[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(8): 2418 − 2423.
    [11] Han G H, Zhao H Y, Song X G, et al. Interfacial microstructure and properties of TZM alloy and ZrCp-W composite joints brazed using Ti-50Ni filler[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2018, 47(6): 1936 − 1940.
    [12] Yu H, Long W M, Zhong S J, et al. Wear resistance of Zr/WC composite coatings on Cr12MoV steel surface by electric spark deposition[J]. China Welding, 2019, 28(1): 35 − 41.
    [13] Li Z J, Fu W, Hu S P, et al. First-principles calculations of the effects of the interface microstructure on the wettability of a Cu-Ti/AlN system[J]. Ceramics International, 2021, 47(13): 18592 − 18601. doi:  10.1016/j.ceramint.2021.03.188
    [14] 胡胜鹏, 李文强, 付伟, 等. BNi-2非晶钎料钎焊高铌TiAl合金与GH3536合金接头组织与性能[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 423 − 434.

    Hu Shengpeng, Li Wenqiang, Fu Wei, et al. Interfacial microstructure and mechanical properties of high Nb containing TiAl alloy and GH3536superalloy brazed using amorphous BNi-2 filler[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2021, 42(3): 423 − 434.
    [15] Chen Z B, Hu S P, Song X G, et al. Brazing of SiC ceramics pretreated by chromium coating using inactive AgCu filler metal[J]. International Journal of Applied Ceramic Technology, 2020, 17(6): 2591 − 2597. doi:  10.1111/ijac.13605
    [16] 张冠星, 龙伟民, 鲍丽, 等. 硫对银钎料及钎焊性能的影响[J]. 焊接学报, 2013, 34(1): 77 − 80.

    Zhang Guanxing, Long Weimin, Bao Li, et al. Effect of sulphur on silver filler metal and brazing properties[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2013, 34(1): 77 − 80.
  • [1] 郭民, 雷玉珍, 赵健, 宋晓国, 于治水, 石铭霄.  Cu75Pt钎料钎焊Ti60与TC4接头界面组织及性能 . 焊接学报, 2022, 43(2): 40-44. doi: 10.12073/j.hjxb.20210918001
    [2] 李云月, 栗卓新, 李红, JacekSenkara, 庄鸿寿.  耐腐蚀性镍基箔带钎料钎焊不锈钢接头性能 . 焊接学报, 2019, 40(9): 30-38. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400231
    [3] 卞红1,田骁2,冯吉才1,高峰1,胡胜鹏1.  TC4/Ti60合金钎焊接头界面组织及力学性能 . 焊接学报, 2018, 39(5): 33-36,68. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390117
    [4] 卢金斌, 贺亚勋, 张旺玺, 李华, 赵彬, 殷振, 马佳.  CuSnTiNi钎料真空钎焊金刚石 . 焊接学报, 2017, 38(6): 125-128.
    [5] 张丽霞, 孟德强, 郑文龙, 冯吉才.  5005铝合金与1Cr18Ni9Ti的真空钎焊分析 . 焊接学报, 2017, 38(1): 107-111.
    [6] 冯贞伟, 高腾飞, 邵天威, 郭伟, 朱颖, 曲平.  C/C复合材料与镍基高温合金GH3128钎焊 . 焊接学报, 2015, 36(12): 105-108.
    [7] 朱成俊, 尚长沛.  采用AgCuTi活性钎料真空钎焊MgAl2O4透明陶瓷 . 焊接学报, 2015, 36(4): 101-105.
    [8] 吴娜, 李亚江, 王娟.  Super-Ni/NiCr叠层材料与Cr18-Ni8钢真空钎焊接头的组织性能 . 焊接学报, 2013, (3): 41-44.
    [9] 王娟, 郑德双, 李亚江.  Mo-Cu合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢真空钎焊接头的组织性能 . 焊接学报, 2013, (1): 13-16.
    [10] 黄超, 林铁松, 何鹏, 顾小龙.  TiBw/TC4钛合金与C/C复合材料钎焊接头的界面组织结构 . 焊接学报, 2011, (7): 39-42.
    [11] 王宇欣, 张丽霞, 王军, 冯吉才.  置氢TC4钛合金与C/SiC复合材料钎焊接头界面组织和结构 . 焊接学报, 2011, (10): 105-108.
    [12] 张志伟, 徐九华, 丁文锋, 傅玉灿.  铜锡钛合金炉中钎焊立方氮化硼界面微观结构 . 焊接学报, 2011, (1): 73-76.
    [13] 卢金斌, 穆云超, 孟普.  钛基钎料真空钎焊立方氮化硼的分析 . 焊接学报, 2010, (5): 57-60.
    [14] 卢金斌, 汤峰, 孟普, 王志新.  Ni-Cr合金真空钎焊金刚石的热损伤分析 . 焊接学报, 2010, (8): 25-28.
    [15] 俞伟元, 陈学定, 路文江.  非晶Cu-P钎料钎焊接头致密性 . 焊接学报, 2009, (4): 65-68.
    [16] 陈燕, 徐鸿钧, 傅玉灿, 苏宏华.  Ni-Cr合金真空钎焊金刚石的表面石墨化 . 焊接学报, 2009, (9): 21-24.
    [17] 梁宁, 沈以赴.  活性元素镁对铝合金真空钎焊接头性能的影响 . 焊接学报, 2007, (7): 61-64.
    [18] 王全兆, 刘越, 张玉政, 关德慧, 毕敬.  TiC/NiCr金属陶瓷与1Cr13不锈钢的真空钎焊 . 焊接学报, 2006, (8): 43-46.
    [19] 徐庆元, 李宁, 熊国刚, 张伟, 赵伟.  钎焊工艺对钛钎焊石墨与TZM合金接头组织性能的影响 . 焊接学报, 2006, (7): 37-40.
    [20] 张新平, 史耀武, 任耀文.  镍基非晶态及晶态钎料真空钎焊工艺性能的比较 . 焊接学报, 1996, (4): 205-211.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-29
  • 刊出日期:  2021-10-25

Cr对Mo-45Ni真空钎焊TZM合金接头性能的影响

doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
    基金项目:  国家重点研发计划国际科技合作项目(2016YFE0201300)
    作者简介:

    龙飞,硕士;主要研究方向为铝及铜钎焊;Email:justlf@126.com

    通讯作者: 何鹏,博士,教授,博士研究生导师;Email:hepeng@hit.edu.cn.
  • 中图分类号: TG 425

摘要: 根据实际工程需求,开发了能在1 300 ℃下服役的TZM合金专用钎料,并测试了该钎料在TZM合金表面的润湿性能,引入“基准润湿面积”的概念判断该钎料的润湿性,并探讨了钎料中Cr元素对钎料润湿性能、抗剪强度的影响规律. 分析了钎焊接头的强化机理,探明了接头的抗剪强度随着Cr元素的加入先变大后变小,可为实际工程应用提供重要参考. 结果表明,当钎料中Cr元素含量为3%(质量分数)时,钎料的润湿性最好,接头的抗剪强度达到135 MPa的最高值.

English Abstract

龙飞, 史清宇, 路全彬, 林铁松, 何鹏. Cr对Mo-45Ni真空钎焊TZM合金接头性能的影响[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
引用本文: 龙飞, 史清宇, 路全彬, 林铁松, 何鹏. Cr对Mo-45Ni真空钎焊TZM合金接头性能的影响[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
Fei LONG, Qingyu SHI, Quanbin LU, Tiesong LIN, Peng HE. Effect of Cr on properties of TZM alloy joints brazed with Mo-45Ni brazing filler metal[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
Citation: Fei LONG, Qingyu SHI, Quanbin LU, Tiesong LIN, Peng HE. Effect of Cr on properties of TZM alloy joints brazed with Mo-45Ni brazing filler metal[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 55-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210329001
    • TZM合金是一种含0.5%Ti,0.08%Cr,0.02%C的钼合金,它熔点高、强度大、线膨胀系数小、蒸气压低、抗蚀性强、高温力学性能好,广泛应用在航空航天、航海、电子电气、能源等行业.

      在能源行业,相变热能储存材料广泛应用于大型太阳热能电站,它能利用相变将热能临时储存起来,使太阳热能电站能够不受昼夜、天气影响,连续不断地向千家万户供电. 然而新一代相变热能储存材料的服役温度达到了1 250 ~ 1 300 ℃,这就给热能储存材料承载体的制备带来了较大考验. TZM合金由于其众多优势,可用作制备热能储存材料承载体,但如何实现承载体的有效连接,是一个需要解决的问题. 首先承载体为翅状结构,不适宜于整体成形. 其次TZM合金初始再结晶温度为1 350 ℃,终了再结晶温度为1 700 ℃,使用传统的熔化焊方式会导致这种含钛、锆、碳的TZM合金晶粒粗大,从而导致组织脆化,接头的韧性和强度下降,还易产生气孔和裂纹. 在此背景下,钎焊成为TZM热能储存材料承载体连接的必然选择.

      在对TZM钎焊的研究中,前人做了不少工作. Chan等人[1]使用95Ag-5Al和72Ag-28Cu两种钎料钎焊Ti-6Al-4V和TZM合金,但这两种钎料的钎焊温度太低,远低于1 300 ℃. 牛超楠等人[2]采用Ti-Zr-Ni-Cu非晶钎料箔实现了TZM合金的真空钎焊,但钎焊温度只有1 020 ℃,低于1 300 ℃. 徐庆元等人[3]使用钛合金箔实现了石墨与TZM合金的钎焊连接,但生成的中间化合物TiC是一种典型的脆性相,不适用于翅状结构的连接. 田骁等人[4]选用3种TiNi共晶钎料成功地实现了TZM合金无缺陷的钎焊连接,但当钎焊温度超过1 240 ℃时,钎料会对母材产生严重的溶蚀现象. 鉴于目前连接TZM合金的钎料不能保证TZM合金作为热能储存材料承载体对使用温度和接头性能的要求,迫切需要开发新型钎料,实现TZM合金在高温下的可靠连接.

    • 基于Mo-Ni-Cr相图,以及与TZM合金的相容性要求,以55Mo-45Ni(质量分数,%)二元钎料合金为基础,通过在钎料中引入Cr元素增强钎料在母材表面的润湿性并提高接头强度[5]. 设计的钎料共有Mo-45Ni,Mo-45Ni-1Cr,Mo-45Ni-3Cr,Mo-45Ni-5Cr(均为质量分数)4种.

      采用中科院沈阳金属所研制的真空电弧熔炼系统对设计的钎料进行熔炼. 通过“粗抽阀-前级阀-高阀”三步抽真空,将电弧熔炼炉的真空度降至2 × 10−3 Pa以下,然后通入氩气使炉内气压达到0.05 MPa,使用450 ~ 600 A的电流对按质量比配好的原材料进行熔炼,图1是熔炼好的钎料样例.

      图  1  熔炼好的钎料样例

      Figure 1.  Brazing filler metal samples by smelting

      钎料润湿性的表征主要从润湿角和润湿面积两个角度出发. 使用上海中晨数字技术设备有限公司(POWEREACH公司)生产的 JC2000D型接触角测量仪对Mo-45Ni合金系的4种钎料在1 400 ℃/6 min的钎焊工艺下得到的润湿角进行测量. 使用蔡司(Zeiss)Discovery. V8体视显微镜对钎料在TZM板上的润湿情况进行拍照,使用AxioVision SE64 软件V4.9.1 SP2对钎料在TZM板上的润湿面积进行测量[6-8].

      根据钎料润湿性试验方法GB/T 11364—2008,取0.2 g为一个基准质量,为了便于比较,近似将质量与润湿面积的关系定义为线性,基准润湿面积(Sb)为

      $$ S_{\rm{b}}=S\times \frac{0.2}{m} $$

      式中:S为实际润湿面积;m为实际质量.

      使用线切割将熔炼完毕的钎料锭切成0.75 mm厚的薄片,并使用砂纸、煤油、酒精去除表面的油污,最后放入真空干燥箱中保存,以供进行真空钎焊. 使用图2所示的两种接头形式,即一个直径10 mm,高度为10 mm的圆柱体与一个8 mm × 5 mm × 4 mm的长方体对接(图2a)及两个10 mm × 10 mm × 2 mm的方板对接(图2b),前者用于测量抗剪强度和观测断口形貌,后者用于观测接头界面组织.

      图  2  试验所用的接头形式(mm)

      Figure 2.  Joint form used for the test. (a) butt joint of cylinder and cuboid; (b) butt joint of square plates

      采用北京机电研究所真空热处理中心研制的LZQH-30型立式真空钎焊炉对试样进行真空钎焊,钎焊工艺为1 400 ℃ / 6 min,保温阶段真空度(2 ~ 5) × 10−3 Pa. 其具体焊接工艺如图3所示,由于焊接温度较高,设置升温程序时采用4次升温方式. 钎焊结束后,保持炉体处在真空状态,样品随炉冷却,降温至100 ℃以下,从炉体中取出试样. 使用MTS E45.105万能力学试验机对试样的抗剪强度进行测试,每种试样取5个平行试样,将其平均值作为钎焊接头的抗剪强度. 使用Phenom XL型扫描电镜的二次电子模式对试样断口形貌进行观测,使用扫描电镜的背散射模式对接头界面组织进行观测.

      图  3  Mo-45Ni系钎料钎焊TZM的真空钎焊工艺

      Figure 3.  Vacuum brazing process map for brazing TZM alloy using Mo-45Ni series brazing filler metal

    • 通过测量,可以得到Mo-45Ni及Mo-45Ni-1/3/5Cr在1 400 ℃/6 min的真空条件下,在TZM板上对应的润湿角分别为16.5°,14.5°,13.5°,16°. 将润湿角随Cr元素添加的变化情况如图4所示.

      图  4  不同Cr含量的Mo-45Ni系钎料在TZM板上的润湿性的变化规律

      Figure 4.  Wettability of Mo-45Ni series brazing alloys with different Cr content on TZM plate

      图5为Mo-45Ni-0/1/3/5Cr在TZM板上的润湿铺展的照片. 通过对图中铺展面积的测量,可知,Mo-45Ni (0.28 g,1号),Mo-45Ni-1Cr (0.27 g,2号),Mo-45Ni-3Cr (0.215 4 g,3号)和Mo-45Ni-5Cr (0.175 8 g,4号)在TZM板上的润湿面积与基准润湿面积如表1所示.

      图  5  Mo-45Ni系钎料TZM板上的润湿面积

      Figure 5.  Wetted area of Mo-45Ni series brazing filler metals on TZM board. (a) Mo-45Ni;(b) Mo-45Ni-1Cr; (c) Mo-45Ni-3Cr; (d) Mo-45Ni-5Cr

      表 1  图5的测量数据

      Table 1.  Measured datas of Fig.5

      试样编号润湿面积S/cm2基准润湿面积Sb/cm2
      1号2.291.635
      2号2.0451.515
      3号2.2922.128
      4号1.3471.532

      结合润湿角与润湿面积综合分析可以发现,当Mo-45Ni加入Cr含量为3%(质量分数)时,对TZM合金板的润湿效果最好. 根据分析,Cr对润湿性的影响主要有两个方面:一方面,Cr的加入可以降低界面张力,促进润湿;另一方面,Cr与Mo的原子半径过于接近,钎料原子间的空隙是有限的,就好像一个“框”里只能装一定体积的“球”一样,Cr的加入能抑制TZM向钎料中的溶解. 当Cr的含量为1%时,界面处出现了Cr,界面张力降低,同时Cr的抑制作用不是特别明显,因此润湿性相比不加入Cr有所提高;当Cr的含量为3%时,Cr在界面进一步富集,同时Cr的抑制作用虽然增强但相比于界面张力,其影响程度处在次要地位,此时润湿性最好;当Cr的含量为5%时,界面张力不再有大幅度的下降,但Cr的抑制作用继续增强,因此钎料的润湿性再次降低. 文中对Mo-45Ni-3Cr钎料使用1 350 ℃/6 min的钎焊工艺,发现钎料不熔化,说明这种钎料的耐温性能满足1 300 ℃.

    • 经过数据处理,添加了Cr的Mo-45Ni钎料所焊接头的抗剪强度如图6所示.

      图  6  Cr对Mo-45Ni钎料钎焊TZM接头抗剪强度的影响

      Figure 6.  Effect of Cr addition on shear strength of brazed joints of Mo-45Ni brazing filler metal

      图6可以明显看出,随着Cr添加量的增加,接头的抗剪强度先升高再降低,在Cr含量为3%时达到最大,为135 MPa,这与润湿性的变化趋势基本是一致的.

    • 为了进一步探究抗剪强度与润湿性发生变化的机理,使用Phenom XL型扫描电镜的二次电子模式对试样的断口形貌进行了观测,如图7所示.

      图  7  Mo-45Ni系钎料真空钎焊接头的断口形貌

      Figure 7.  Fracture morphology of vacuum brazing joint using Mo-45Ni series brazing filler metals. (a) Mo-45Ni;(b) Mo-45Ni-1Cr;(c) Mo-45Ni-3Cr;(d) Mo-45Ni-5Cr

      图7明显可以看出,在加入Cr以后,晶粒明显发生了细化,这也是接头抗剪强度得到改善的主要原因. 但当加入过量的Cr时,由于Cr的细化作用不再明显增加,而Mo,Cr的原子半径过于接近. 当Cr含量增加时,就抑制了母材中的Mo向钎缝中的溶解,从而使接头弱化.

      在Mo-45Ni-5Cr钎料钎焊的接头断口中(图8),可以明显发现一些类似“樱花”的相,表2的分析结果表明,这种相是Zr-O化合物. 可以推断,这种相的出现对钎焊接头的抗剪强度有一定恶化作用.

      图  8  Mo-45Ni-5Cr钎料真空钎焊断口形貌“樱花”状组织

      Figure 8.  An organization similar to "cherry blossom" in the fracture appearance of vacuum brazed joint using Mo-45Ni-5Cr brazing filler metal

      表 2  图8中各能谱点的元素成分分析(原子分数,%)

      Table 2.  Elemental composition analysis of the energy spectrum points in Fig.8

      位置ZrOMo推测结构
      129.7668.321.92ZrO2
      230.3265.783.9ZrO2
    • 为了进一步探究Cr对润湿性和接头强度的影响机理,使用扫描电镜的背散射模式对试样的接头界面形貌进行了观测,如图9所示[9-15],对应的能谱点如表3所示.

      图  9  使用Mo-45Ni钎料真空钎焊TZM接头的微观形貌

      Figure 9.  Microstructure of vacuum brazing joint of TZM using Mo-45Ni brazing filler metal. (a) Mo-45Ni;(b) Mo-45Ni-1Cr;(c) Mo-45Ni-3Cr;(d) Mo-45Ni-5Cr

      表 3  图9中各能谱点的元素成分(原子分数,%)

      Table 3.  Elemental composition analysis of the energy spectrum points in Fig.9

      位置序号MoNiTiZrC推测结构
      图9a189.570.312.517.61TZM
      289.920.322.527.24TZM
      352.8847.12MoNi
      421.7778.23MoNi3
      图9b188.930.42.548.13TZM
      289.350.542.557.56TZM
      351.2847.121.6MoNi
      426.4271.252.33MoNi3
      图9c186.871.272.549.32TZM
      254.5545.45MoNi
      326.7173.291.6MoNi3
      43.4996.51Ti
      图9d188.691.922.496.9TZM
      288.091.832.747.34TZM
      350.8349.17MoNi
      426.8573.15MoNi3

      结合接头界面的微观形貌可以知道,钎料基本没有向母材扩散,而母材大量地向钎缝中发生了溶解.

      图9可以看出,当Cr的加入量为1% 时,TZM向钎缝中的溶解量降低,有大量片状MoNi3生成,这会引起接头强度降低,但细化晶粒的作用占主导,因此整体抗剪强度依然提升;当Cr的加入量为3 % 时,TZM向钎缝中的溶解度极高,有很多地方母材与钎缝的“边界”都不再存在,这时MoNi3不再以片状分布,因此抑制作用不明显,同时细化晶粒的作用达到较高值,因此抗剪强度最大;当Cr的加入量为5 % 时,大量Cr的加入抑制了TZM中的Mo向钎缝的溶解,片状MoNi3再次生成;同时大量的Cr吸引了Zr向钎缝扩散,扩散到钎缝中的Zr发生吸氧生成ZrO2,在ZrO2和片状MoNi3的共同作用下,抗剪强度大幅度降低. 因此,Cr对接头抗剪强度的影响机理主要有三方面:第一方面是加入Cr使晶粒细化,从而提升接头的抗剪强度;第二方面是当TZM向钎料中溶解时,能够“打碎”片状的MoNi3,从而使接头强度更高;第三方面是当加入过量的Cr时,由于Cr-Zr的亲和力大于Mo-Cr,母材中的Zr可能容易受Cr的“吸引”向钎缝中扩散,而钎缝中的Zr会发生吸氧导致ZrO2的生成,进而导致接头抗剪强度下降[16].

    • (1)使用Mo-Ni-Cr系钎料钎焊TZM合金时,Cr含量对钎料在TZM合金表面的润湿性及钎缝性能有重要的影响,少量的Cr会使界面能降低、钎料晶粒细化进而优化钎料性能,但当Cr含量过高时,就会使润湿性、抗剪强度都下降.

      (2)使用Mo-45Ni-3Cr钎料在1 400 ℃/6 min的工艺条件下真空钎焊TZM合金,润湿性良好,且接头的抗剪强度较高,可达135 MPa,能满足TZM作为热能储存材料承载体服役的要求. 与此同时,TZM合金的再结晶现象也不是特别明显. 因此,Mo-45Ni-3Cr是一种可行性较高的钎料.

参考文献 (16)

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