Ag-Cu-Ti+W復合釬料釬焊SiC陶瓷的接頭性能研究

張超 侯桂賢 鐘志宏 王志泉

摘要：通過使用Ag-Cu-Ti釬料釬焊，可以實現SiC陶瓷的有效連接，但它與陶瓷母材熱膨脹系數相差較大，釬焊降溫過程中會產生較大的殘余應力。通過向Ag-26.7Cu-4.5Ti釬料中復合不同體積分數的W顆粒，調節釬料的熱膨脹系數，使之更接近于母材。通過改變釬焊溫度和保溫時間，研究工藝參數對焊縫的顯微組織和力學性能的影響。結果表明，W顆粒均勻分布在基體中且未與其他元素反應。當添加合適的體積分數的W顆粒，并且在適當的釬焊溫度和保溫時間下，能夠形成組織均勻、連接良好的復合接頭。當添加的W的體積分數為10%，在釬焊溫度為807 ℃、保溫時間為10 min的條件下，可獲得高剪切強度為95.05 MPa。

關鍵詞：SiC陶瓷;釬焊;Ag-Cu-Ti+W復合釬料;剪切強度

中圖分類號：TG425 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0097-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.18

0 ? ?前言

SiC陶瓷具有良好的抗熱震性能、穩定的高溫性能，優良的耐腐蝕性、耐磨損性、耐輻射性能，在航空航天、石化設備、核電工程等領域中具有良好的應用前景。由于SiC陶瓷難以直接制備復雜的大型構件，故其連接技術的研究也就愈發重要[1-3]。目前陶瓷的連接主要有SPS燒結、擴散焊、釬焊等手段，而釬焊因其受熱均勻、母材變形小、生產成本低等顯著優點，被認為是非常有前景的連接手段。

目前，國內外一些學者對Ag-Cu-Ti釬料釬焊陶瓷進行了研究，結果表明釬料中活性元素Ti可以與SiC發生反應，使釬料對陶瓷界面有良好的潤濕性，焊接接頭性能良好。影響接頭連接強度的因素主要有兩個：一是金屬釬料熱膨脹系數與陶瓷母材差異較大，在釬焊冷卻過程中會產生較大的殘余應力;另一個是工藝參數的變化導致釬料相分布和反應層的變化[4]。

W顆粒具有良好耐磨、耐腐蝕、抗氧化的特性且熱膨脹系數與SiC陶瓷相近，通過向Ag-26.7Cu-4.5Ti釬料中復合不同體積分數的W顆粒，不但可以降低釬料的熱膨脹系數，還能細化晶粒，有效提高接頭強度[5-6]。但加入W顆粒后，其釬焊的最佳工藝參數也會隨之改變。不同的釬焊溫度會影響釬料與母材之間的反應層，反應層越厚，熱應力梯度越小，接頭強度也會越高;但另一方面，反應層越厚，熱膨脹錯配力也越大，也更易引發裂紋。因而探尋合適的工藝參數，以獲得最優的連接顯得尤為重要。

1 實驗

1.1 原料的制備和釬焊實驗設計

SiC母材由內圓切割機加工成7.5 mm×7.5 mm

×4 mm的原料，并用金剛石研磨拋光懸浮液（3.5 μm，1 μm）進行多次拋光，最后用丙酮進行超聲清洗。復合釬料是由Ag-26.7Cu-4.5Ti粉末（200目，純度99.9%）和W粉末（1.0～1.5 μm，純度99.9%）以體積比9∶1經球磨機球磨8 h混合而成。

釬焊實驗在真空度為10-3Pa的真空鉬絲釬焊爐中進行。焊后樣品使用金剛石線切割制成8 mm×

5 mm×3 mm的標準樣，并進行拋光清洗。

1.2 性能表征

采用JEM-6490LV型掃描電子顯微鏡觀測焊縫顯微組織并進行能譜檢測;采用AG-X plus立式系列電子萬能材料試驗機進行接頭剪切強度試驗，剪切模型如圖1所示;采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2 結果和討論

2.1 W的添加體積對焊縫組織和剪切強度的影響

圖2為在相同釬焊溫度和保溫時間條件下，添加了不同體積W的Ag-Cu-Ti+W復合釬料的顯微組織，對比可觀察體積分數對顯微組織的影響。在未添加W顆粒時，中間層組織粗大，當加入W顆粒后，W彌散分布在基體中且未與其他元素反應。隨著加入W的體積分數的增加，為固溶體提供了更多的形核中心，促進了非均質形核，使得組織更加致密，這對于提高接頭的連接強度有促進作用。結合圖3的EDS結果，中間層主要由Ag基固溶體和Cu-Ti相組成，W顆粒均勻彌散分布在組織中，強化基體組織。釬料與母材通過反應層連接，形成牢固的反應連接。反應層主要由釬料中的Ti與母材中的SiC反應生成的Ti5Si3和TiC構成，反應為：Ti+SiC→Ti5Si3+TiC，在緊鄰SiC一側生成TiC，與在TiC外側生成的Ti5Si3組成了反應層[7-8]。另一方面加入W顆粒后，在釬焊后形成以Ag-Cu為金屬基，W顆粒為增強相的復合材料，通過Ag-Cu將硬度高的W粘結在一起，在外力作用下時通過金屬延性相的塑性變形和晶界位移產生蠕變吸收能量，可以緩解應力集中，達到增強增韌的目的。W的加入并未影響反應層厚度，但隨著W的增多，釬料的流動性變差，在相同釬焊溫度和保溫時間下，當加入15%的W顆粒時，釬料與母材之間出現未能填充滿的情況，反應層間斷不連續，惡化了接頭性能。同時中間層出現W的團聚，不利于應力的釋放，對接頭連接強度產生負面影響[9-10]。

對應不同體積分數的W（見圖2），其相對應接頭的剪切強度如圖4所示。當未添加W時，剪切強度為78.58 MPa，當加入少量W時，剪切強度會有顯著的提升，當加入體積分數為10%時，剪切強度最高可達95.05 MPa，相比于未添加時剪切強度提高了20.96%。而當體積分數繼續增加時，強度會出現明顯的下降，甚至低于未添加W時的剪切強度。此剪切強度結果與顯微組織觀察到的現象相符。

2.2 釬焊溫度和保溫時間對焊縫組織和剪切強度的影響

由W的添加體積的研究結果可知，當W的添加體積為10%時可獲得最大的剪切強度，因而在本節研究中使用Ag-Cu-Ti+10vol.%W/SiC復合釬料進行焊接。不同釬焊溫度和保溫時間下的顯微組織如圖5所示，由圖5可知，當釬焊溫度過低（787 ℃）時釬料未能完全熔化，保溫時間過短（5 min）時釬料與母材還未能充分反應，元素還不能充分擴散反應，這都直接導致反應層出現了不連續的情況，中間層及反應層多處出現疏松和孔洞等連接薄弱區域，因而未能形成良好的接頭組織。當釬焊溫度持續升高，中間層組織得以細化，釬料與母材充分反應，得到一個連續均勻的反應層。當釬焊溫度過高時，元素擴散劇烈導致反應層變厚，緊鄰SiC一側生成的TiC與SiC物理性質相似，晶格對應關系良好，熱膨脹系數差異小。而Ti5Si3脆性相硬度是TiC的1/3，彎曲強度是TiC的1/7，但熱膨脹系數是TiC的1.4倍，該脆性相使結合層強度下降，同時過厚的反應層易對陶瓷界面造成腐蝕，使得界面處晶格錯配力增大，造成連接強度下降[11]。對比圖2與圖5的顯微組織，圖2c中釬焊溫度為807 ℃，保溫時間為10 min時獲得的顯微組織最為均勻致密，反應層連續平整。

不同釬焊溫度下的剪切強度如圖6所示，不同保溫時間下的剪切強度如圖7所示。在釬焊溫度為807 ℃、保溫時間為10 min時獲得最高的剪切強度95.05 MPa。當釬焊溫度為827 ℃時，反應層薄弱，其剪切強度僅有33.76 MPa，可以推測相對于保溫時間，釬焊溫度對反應層厚度的影響更為強烈。當釬焊溫度和保溫時間改變時，接頭剪切強度變化較大，可見工藝參數對接頭有很強的影響作用，此結果與顯微組織觀察到的現象吻合。

2.3 使用Ag-Cu-Ti+W釬料釬焊SiC的接頭斷口研究

對Ag-Cu-Ti +W釬料釬焊SiC陶瓷的接頭進行剪切試驗，觀察裂紋的斷口裂紋擴展情況，裂紋起裂于中間層，穿過界面反應層，向陶瓷擴展。W的體積分數為10%、釬焊溫度807 ℃、保溫時間為10 min時的斷口照片如圖8所示。一方面，W的加入降低了釬料的熱膨脹系數，從而降低了反應層處母材與釬料因熱膨脹系數差異帶來的錯配，另一方面中間層仍保持著良好的塑性，二者綜合作用降低了反應層處的殘余應力。當外加載荷與殘余應力疊加時，裂紋在擴展過程中，其尖端在釬料中擴展塑性變形需要消耗能量，同時晶界與W顆粒也會阻礙裂紋的擴展[12-13]。而SiC致密度不高，裂紋擴展遇到阻礙較少，使得裂紋向陶瓷擴展。當裂紋在釬料中擴展時，釬料塑性較高，出現韌窩，呈塑性斷裂的特征，而當擴展至母材后，在陶瓷相上呈明顯的脆性斷裂，因而斷口呈現為塑性斷裂與脆性斷裂的復合型斷裂，體現為對應的剪切強度也較高。

3 結論

選用Ag-Cu-Ti+W復合釬料釬焊SiC陶瓷，通過改變添加W的體積分數、釬焊溫度和保溫時間，結合所獲接頭相應的顯微組織及剪切強度，探究其對焊接性能的影響。

（1）顯微組織中間層主要由Ag基固溶體和CuTi相構成，釬料中的Ti與母材中的SiC會反應生成Ti5Si3和TiC，形成牢固的反應結合。

（2）W彌散分布在基體中，作為形核中心促進非均質形核，細化中間層。加入的W顆粒越多，中間層越致密，但過多的W會影響釬料的流動，同時出現W的團聚現象，不利于應力的釋放。

（3）釬焊溫度和保溫時間會影響反應層厚度，釬焊溫度過低或保溫時間過短時，反應不充分，影響連接質量。釬焊溫度過高或保溫時間過長時，反應層處生成的Ti5Si3脆性相增多，使結合層強度下降。

（4）在W添加體積為10%，釬焊溫度為807 ℃，保溫時間為10 min時獲得最高剪切強度95.05 MPa，觀察剪切后的斷口形貌，斷裂方式為復合型斷裂。

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