表面粗糙度對TiAl/AgCu/TiAl釬焊質量的影響

黃小明，雷 敏，李學文，李玉龍

(江西省機器人與焊接自動化重點實驗室南昌大學機電工程學院，南昌330031)

對于選定體系的釬焊過程，影響因素有釬焊溫度、保溫時間、間隙、加載壓力、表面粗糙度及釬焊體系的氣氛環境等，其中，溫度和保溫時間為最主要的影響因素［1－3］.表面粗糙度作為非決定性因素，對釬焊過程界面元素的擴散和釬料的潤濕鋪張有著重要的影響;非光滑的、一定的表面粗糙度對熔融的釬料有著毛細作用，可能定向促進或者抑制釬料潤濕鋪展［4－7］.

TiAl合金作為一種輕質高溫結構材料，具有密度低、熔點高、高溫強度、剛性、抗氧化性和抗腐蝕性好的特點，被認為是一種理想的、富有研究開發應用前景的新型高溫結構材料［8－9］.盡管已有較多的TiAl合金釬焊研究工作，然而有關表面粗糙度對其釬焊過程影響的研究較少.已有文獻表明，表面粗糙度對釬焊過程具有重要影響［10－11］.

本文采用AgCu共晶合金箔作為釬料對TiAl基板進行真空釬焊，研究基板表面粗糙度與磨痕方向對具有強烈界面反應的TiAl釬焊過程及隨后接頭性能的影響，重點研究粗糙度對釬料潤濕鋪展過程、接頭界面組織及力學性能的影響.

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所用基板母材為經過熱鍛處理的TiAl合金棒材，TiAl合金成分為 Ti－46.5Al－2.5V －1.0Cr(原子分數)，將其加工成10 mm×5 mm×3 mm的剪切強度試樣和界面組織觀察試樣.實驗所用釬料為Ag－28Cu(質量分數)共晶合金箔，厚度0.1 mm，熔點780℃.

1.2 實驗方法

在真空爐中進行TiAl的釬焊過程，真空度為(1.3～3.0) ×10－3Pa.釬焊試樣的搭接結構如圖1所示，搭接面積為5 mm×1 mm，釬焊過程中保持0.14 MPa的壓力，以防發生移動;將焊好的剪切強度試樣放入相應夾具結構中，測定焊接接頭的剪切強度.

圖1 剪切試樣與剪切過程示意圖Fig.1 Schematic of shear test specimen and the setup

采用原子力顯微鏡(Agilent 5500 AFM/SPM)測定TiAl合金基板的表面粗糙度及其形貌.將釬焊接頭研磨拋光進行標準金相制樣，采用光學顯微鏡(Neuphi－Olymps)、環境掃描電子顯微鏡(FEI，Quanta 200F)和能譜分析(EDS，IE250X Max50)對焊接接頭的顯微組織進行分析.

根據現有研究和前期參數優化實驗，選擇真空釬焊溫度870 ℃，時間5 min［12－13］.實驗分3 個階段進行，第1階段研究表面粗糙度與磨痕方向對釬料潤濕鋪展的影響.選用直徑1 mm、厚0.07 mm的AgCu圓形箔作為釬料，將釬料置于6 mm×6 mm×0.5 mm的TiAl基板表面;然后，將試樣放入真空爐中進行實驗，升溫到實驗溫度，保溫、冷卻凝固得到釬料熔化熔敷外觀;使用潤濕角測量儀(LWAT/L－1)，觀察分析釬料潤濕鋪展過程的動態潤濕角.其中，真空爐和潤濕角測量儀中的溫度經過校準，溫度相同，真空度相同.

第2階段評估表面粗糙度對釬焊接頭組織及力學性能的影響.根據第1階段結果可知，砂紙定向研磨的基板，釬焊時釬料潤濕鋪展會沿磨痕方向優先流動.由原子力顯微鏡所測結果可知，研磨方式(定向或雜亂無序)對表面粗糙度(Sa)的影響不大，并且為減小釬料優先流動可能帶來的釬料流失和焊后釬角不均等影響，選擇砂紙磨痕方向為雜亂無序;分別采用360#、800#、1200#砂紙對基板試樣表面研磨處理和拋光處理，從而獲得不同表面粗糙度基板.實驗前將所有處理后的試樣放入丙酮溶液中超聲波清洗20 min，然后將裝配好的試樣放入真空爐中進行釬焊.在CTM2500微機控制電子萬能材料試驗機上以0.5 mm/min的加載速率測定接頭的剪切強度，實驗中1個參數至少測試5個樣品求平均值.

第3階段探究不同表面磨痕方向對釬焊接頭力學性能的影響，根據前述結果，選用800#砂紙對基板表面進行不同的研磨處理:1)磨痕方向與釬焊接頭長度方向平行，與接頭剪切性能測試的外力加載方向平行;2)磨痕方向與釬焊接頭長度方向垂直，與接頭剪切性能測試的外力加載方向垂直;3)磨痕方向為雜亂無序.

2 結果與討論

2.1 釬料潤濕鋪展

2.1.1 基板表面研磨后的粗糙度

圖2展示了表面研磨處理后TiAl基板的表面三維形態，表面粗糙度如表1所示.其中，Sa為整個掃描區域的算術平均值，Sq為區域中的最高點，Sv為區域中最低點絕對值［14］.

從圖2可見，表面拋光(采用1 μm金剛石磨料拋光)基板的表面平整度要明顯優于其他4組，且粗糙度(Sa=3 nm)遠低于其他處理方式.砂紙定向磨削處理后的基板表面形貌具有方向性，Sa主要受砂紙粗細型號的影響，所用砂紙越粗，基板表面所測Sa越大，砂紙研磨方式對Sa影響不大.表1中未列出的360#砂紙無序研磨基板粗糙度Sa=0.133 μm，1200#砂紙無序研磨基板粗糙度Sa=0.063 μm.

圖2 不同表面處理試樣表面形態Fig.2 Surface topography of the specimens with different surface treatments(a)Directional grinding by 360#grit paper;(b)Directional grinding by 800#grit paper;(c)Directional grinding by 1200#grit paper;(d)surfaces polishing;(e)disorderly grinding by 800#grit SiC paper

表1 不同表面處理試樣表面粗糙度值Table 1 Surface roughness of the specimens with different surface treatments

2.1.2 釬料潤濕鋪展

如圖3所示，將直徑1 mm、厚0.07 mm的釬料圓片置于拋光處理后的TiAl基板表面，在潤濕角測量儀中觀察真空條件下AgCu在TiAl基板上的潤濕鋪展，當溫度達到750℃時開始觀察并錄像.

如圖3所示，當溫度達到772℃左右時，釬料開始隨著溫度的升高逐漸收縮，因而可推知釬焊過程中釬料應該有一個對應的收縮，只是釬料在兩層TiAl基板中間，并且在加載壓力的作用下這種過程并不明顯.當溫度達到819℃時，釬料開始潤濕鋪展.溫度持續升高，焊料持續鋪展，當溫度達到870℃、保溫時間(t)達到53 s時，潤濕鋪展過程基本完成.

圖4為真空爐中釬料在不同基板表面潤濕鋪展結果，其中，圖4(a)為釬料在Sa=0.134 μm 的基板鋪展前形貌.為便于說明與分析，將砂紙研磨磨痕方向定義為x方向，與基板表面研磨磨痕方向垂直的方向定義為y方向.從圖4(b)～(d)可見，AgCu釬料在定向研磨的基板表面潤濕鋪展后呈現橢圓形，釬料在x方向優先鋪展.

從圖2基板表面原子力照片可見:定向研磨的基板表面在x方向有連續的通道結構，且研磨砂紙越粗糙，基板表面粗糙度(Sa)越大，通道溝槽越深，沿y方向擴散的液態金屬釬料會受到表面溝槽的阻礙;與此同時，沿x方向鋪展的液態金屬可能會受到溝槽的毛細作用，導致釬料沿x方向優先鋪展［5，7］.從圖 4(b) ～ (d)可見:隨著Sa的增大，鋪展后的表面形貌沿x方向優先鋪展越明顯;基板表面越粗糙，Sa越大，y方向所受阻力越大，釬料沿x方向鋪展得越多.當基板表面拋光處理或采用砂紙無序研磨時，釬料鋪展后的形貌將為一個近似的圓，如圖4(e)、(f)所示.

圖3 AgCu釬料在拋光TiAl基板表面的鋪展Fig.3 The spreading of the AgCu filler material over the polished TC4 substrates

圖4 AgCu釬料在TiAl基板表面的鋪展Fig.4 The spreading of the AgCu filler material over the polished TC4 substrates:(a)morphology of solder before filler material spreading which is directionally with grit papers;(b)Sa=0.134 μm;(c)Sa=0.108 μm;(d)Sa=0.058 μm;(e)polished surfaces(Sa=0.003 μm);(f)substrate disorderly ground by grit paper(Sa=0.103 μm)

2.2 接頭界面組織

已有較多文獻研究了TiAl合金釬焊，對釬焊接頭組織進行了詳細分析［8，13］.圖 5 為Sa=0.103 μm的基板釬焊后接頭界面組織形貌.表2列出了圖中各點的能譜EDS結果.

從圖5(a)可見，870℃/5 min條件下釬焊接頭成型良好，無氣孔和微裂紋等缺陷.根據能譜EDS結果結合已有文獻，釬焊接頭中主要的金屬間化合物為AlCu2Ti和AlCuTi，在AlCu2Ti與TiAl基體之間部分界面存在著鋸齒狀的Ti3Al［15］.

圖5 TiAl合金釬焊接頭的界面組織(a)和局部放大圖(b)Fig.5 Microstructure of TiAl brazed joint:(a)the whole joint;(b)magnification of interface

圖6為砂紙無序研磨時不同粗糙度TiAl基板釬焊后的接頭界面組織.從圖6可見，表面粗糙度對釬焊接頭中界面組織形貌形成影響不明顯.在具有強反應的釬焊過程中，一定的釬焊溫度和保溫時間條件下，表面粗糙度的變化可能會影響釬料與母材的接觸面積，在反應前期可能會影響母材與釬料間的溶解與擴散.從實驗結果來看，對于釬焊過程具有強烈界面反應的TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊，釬焊溫度與保溫時間是對釬焊過程、界面組織形成起主要和決定性的因素［2，15］，表面粗糙度對界面組織形成影響不明顯.定向研磨可能影響釬料潤濕鋪展距離，對此加以利用對其他相似釬焊過程同樣具有參考意義.

圖6 不同粗糙度TiAl基板釬焊接頭界面組織形貌Fig.6 Microstructure of TiAl brazed joint of different surface roughnesses

2.3 接頭力學性能

圖7 (a)為砂紙無序研磨時不同粗糙度TiAl基板釬焊后接頭剪切力學性能實驗結果.可見，隨著表面粗糙度的減小，接頭剪切性能先上升后下降.使用Sa=0.103 μm的基板時，釬焊接頭平均剪切強度達到最優為323 MPa，強度均方差值最小;而Sa=0.133 μm的基板，釬焊接頭平均剪切強度最低，強度為245 MPa，強度均方差值最大.

根據上述結果，選用800#砂紙對TiAl基板進行不同研磨處理，基板釬焊接頭剪切強度結果如圖7(b)所示.

圖7 釬焊接頭剪切性能Fig.7 Shear strength of brazed joint(a)different surface roughness;(b)different grinding methods

從圖7(b)可見，相比其他2種研磨方式，磨痕方向與外力垂直的基板釬焊接頭平均剪切強度更優，不同研磨方式基板釬焊接頭剪切強度結果相差不大.結合圖2釬料潤濕鋪展結果可知，這可能是釬焊過程中，熔融釬料在定向研磨基板表面的優先鋪展增強了釬料的潤濕效果，從而減少微孔的產生［16］.在某些結構復雜工件釬焊生產過程中，可以通過改變基板的研磨方式來控制焊料的流動，從而使釬料能夠有效地潤濕填充.

3 結論

1)表面粗糙度與磨痕方向對AgCu釬料在TiAl基板表面的潤濕鋪展有較大影響;熔融AgCu釬料在定向研磨的TiAl基板表面鋪展時會沿著砂紙磨痕方向優先潤濕鋪展，且基板表面越粗糙，粗糙度值Sa越大，這種特征越明顯.

2)對于釬焊過程具有強烈界面反應的TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊，表面粗糙度Sa對接頭組織形貌及反應相的形成影響不明顯.

3)表面粗糙度對TiAl/AgCu/TiAl真空釬焊接頭力學性能有一定的影響.相比于其他表面，采用Sa=0.103 μm的基板所焊焊接接頭剪切強度最優，達到 323 MPa;而Sa=0.133 μm 的基板所焊接接頭剪切強度最低，強度為245 MPa，強度均方差值最大.