高 勇,夏志东,崔英亚

(北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124)

BNi82CrSiB 钎料真空钎焊FeCrAl合金接头界面组织

高 勇,夏志东,崔英亚

(北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124)

采用BNi82CrSiB带状钎料在1070℃/10min工艺条件下对FeCrA l合金箔带制成的多孔圆形器件进行了真空钎焊实验,并对钎焊接头界面组织和相组成进行了分析。实验结果表明:多孔圆形器件焊后表面无宏观缺陷,钎焊接头致密完整,试样中99%(总共约有8000个)的钎焊接头实现连接。钎缝组织由γ2Ni基固溶体、金属间化合物和共晶组织构成。钎缝中物相有γ2Ni,FeNi3,A lNi3,CrB,Ni17Si3。钎焊接头中含有较多的硼化物相。

BNi82CrSiB钎料;FeCrA l合金;真空钎焊;界面组织

FeCrA l合金是一种重要的电热材料,通常用于电加热元件[1]。FeCrA l电热合金作为我国应用最广泛的金属电热材料之一,其成分中存在大量的Cr和A l,在高温条件下,合金表面会形成致密的氧化膜,因此具有高温抗氧化性能(最高可达1300℃)。FeCrA l合金材料优良的高温抗氧化性能和高电阻率以及低廉的价格为其大量使用提供了条件。因此,它被广泛用于燃烧器、高温气体过滤、燃气密封和吸声材料等方面[2-4]。近年来,国内外对FeCrA l合金的高温性能、FeCrA l涂层和金属蜂窝载体等方面已进行了一些实验研究[5-9]。其中,以FeCrA l合金箔材或丝材为基体的汽车尾气净化载体和电热器件受到很多材料工作者的广泛关注。然而,目前FeCrA l合金箔带制成的燃烧器用电热器件常依赖进口,关于这些器件的钎焊制备以及焊后钎缝组织与相组成方面的报道较少。

在实际燃烧器部件以及蜂窝载体的焊接中,由于FeCrA l合金箔带较薄,所要制备的器件孔洞多、钎缝多且均匀密集分布,高温强度低。因此可以采用低熔点的钎料进行真空钎焊,减少钎焊热循环对母材合金组织性能的影响[10]。

BNi82CrSiB钎料是Ni2Cr2Si2B系钎料。它是一种以Si和B元素作为降熔元素的镍基钎料,其熔化温度为970～1070℃;对不锈钢、高温合金及结构钢的润湿性、流动性都很好,焊后接头有较高的强度和抗氧化腐蚀性能[11-14]。因此,本工作选用BNi82CrSiB带状钎料对FeCrA l合金箔带进行真空钎焊实验,并对多孔器件的制备工艺、钎焊接头的显微组织和相组成进行了分析研究。

1 实验

1.1 焊接材料

实验用母材为FeCrA l合金箔带,形状包括带状和锯齿状,尺寸均为宽10mm,厚0.05mm,其化学成分见表1。实验用钎料为BNi82CrSiB,形状为带状(宽度0.3mm,厚度0.05mm),其化学成分见表2。

表1 FeCrAl合金化学成分(质量分数/%)[15]Table 1 The chemical composition of FeCrA l alloy(mass fraction/%)[15]

表2 BNi82CrSiB钎料化学成分及熔化温度[11]__________________Table 2 The chemical composition and melting temperature of BNi82CrSiB filler metal[11]

1.2 焊前表面准备

焊前将母材和钎料带浸泡在丙酮中进行超声波清洗10min,以除去母材和钎料带表面的油污及氧化物等杂质。

1.3 焊前装配

将两种形状的FeCrA l箔带盘绕成内径30.5mm,外径147mm的多孔圆盘,并用FeCrA l合金带圆箍卡具固定。在盘绕试样的同时将钎料带一并填加到带状和锯齿状两条母材之间(试样中约有8000个钎焊接头),如图1(a)所示。两条钎料带一个靠近盘的上表面,一个靠近下表面,如图1(b)所示。

图1 钎焊试样装配示意图(a)俯视图;(b)钎料位置示意图Fig.1 Schematic diagram of assembling brazing samp le (a)top view;(b)position of filler metal

1.4 钎焊工艺

钎焊实验采用VBF280型真空钎焊炉,该钎焊炉最高加热温度为1320℃,炉温均匀性±5℃,钎焊时的热态真空度不低于2×10-2Pa。

本实验钎焊温度为1070℃,钎焊时间为10min,具体参数如下:从室温经过60min升至950℃;在950℃保温5min;从950℃经过8m in升至1070℃;在1070℃保温10min。焊后试样采用随炉冷却,以保证试样最小的变形量。

2 结果与讨论

2.1 焊后试样外观及钎料润湿情况

图2所示为BNi82CrSiB带状钎料在1070℃/ 10min工艺条件下真空钎焊FeCrA l合金箔带得到的圆盘以及局部放大图。

图2 焊后试样外观 (a)宏观形貌;(b)钎料润湿情况Fig.2 The appearance of samp le (a)macroscopic mo rphology;(b)wetting conditions

在体视显微镜下观察发现,试样的正反两面均较为平整,表面无明显的氧化及未钎透、杂质、气孔和裂纹等宏观缺陷。钎料润湿较好,液态钎料填满间隙并在钎缝两侧形成圆角,如图2(b)箭头所指处。取圆盘正反两面虚线位置处的钎焊接头进行观察,然后取平均值,测出整个圆盘上99%的钎焊接头实现连接,带状母材与锯齿状母材焊合良好。

2.2 钎焊接头界面组织分析

钎焊接头界面微观组织如图3所示。从图3(a)可看出,钎料和母材结合良好,钎焊接头致密完整。图3(a)中上下两侧是FeCrA l母材,中间是由钎料合金为主的固溶体以及两侧母材元素扩散到钎料合金中形成的化合物组成的钎料层。由于钎料元素向母材扩散并与母材发生作用,因此在靠近钎缝的两侧母材区域各形成一个反应区。将该反应区称为Ⅰ区,整个钎料层称为Ⅱ区。结合图3(b)可看出,Ⅰ区显示钎料中的元素与母材反应生成的暗黑色针状、条状的金属间化合物向母材侧呈枝状生长。该区域还分布有较多的麻点状化合物。Ⅱ区深灰色为固溶体相,在深灰色相上分布着黑色点状和不规则块状化合物,并且黑色点状化合物沿钎缝两侧呈线状分布。Ⅱ区中心位置为浅灰色条状和深灰色条状化合物组成的层片状组织。

图3 钎焊接头界面微观组织与线扫描图 (a)钎焊接头界面;(b)局部放大图Fig.3 SEM micrographs and element line scanning images of interface (a)micrograph of the interface;(b)partial enlarged micrograph

对钎焊接头的元素进行线扫描分析,扫描位置如图3(a)中白线所示。各元素沿焊缝含量的分布结果如图4所示。

图4 钎焊界面线扫描图像Fig.4 Element line scanning p rofile of brazed interface

从图4线扫描结果可知,Ⅰ区主要含有Fe,Cr和A l以及少量的Ni元素,Ⅱ区钎缝中主要含有Ni和Si元素。在钎焊过程中有部分母材已溶于钎缝,致使深灰色固溶体中含有一定量的Fe和A l元素,其中Fe在钎缝中分布较为均匀,而A l的分布存在少量波动。同时,钎料中的Si也向母材扩散,其在钎缝中的含量较少,并且在钎缝中的分布存在一些较为明显的波动,这可能是由于Ni2Si化合物在Ⅱ区浅灰色相中富集,并且扩散较为困难。Cr在钎缝中的整体含量较少,但在图3(a)中黑色化合物处出现明显的强峰,这可能是由于Cr在钎焊过程中形成金属间化合物,这些化合物扩散困难,使得其在焊缝中其分布不均匀且局部富集。

表3列出了图3(b)中A～E各点EDS能谱分析的结果。A点(Ⅰ区)主要是由Cr和B两种元素构成,还有少量的Fe元素,该处可能是CrB和Fe2B化合物。B点和C点(均位于Ⅱ区固溶体)主要是由Ni和Si构成,并且在其中固溶了少量的Fe和Cr元素,可认为深灰色反应物为γ2Ni基固溶体。D点(Ⅱ区)即图3(b)中黑色块状弥散分布于钎缝中的化合物,主要是由Cr和B两种元素组成,因此认为该反应物为CrB化合物。E点(Ⅱ区中心)主要是由Ni和Si元素两种组成。结合析出物组织特征[16],认为该处为γ2Ni和Ni2Si化合物的共晶组织。

2.3 钎焊接头相组成分析

为进一步确定钎焊接头中的相组成和相对含量,对图3(a)中Ⅱ区进行XRD分析,结果如图5所示。

表3 图3(b)中各点的能谱分析结果(原子分数/%)Table 3 Results of EDSof spots in fig.3(b)(atom fraction/%)

图5 钎缝XRD分析结果Fig.5 XRD patterns of brazing seam

从图5 XRD分析结果可以大致推出,钎缝中的主要物相为γ2Ni,FeNi3,A lNi3,CrB和Ni17Si3。由二元合金相图可知,Ni2Cr及Ni2Fe互溶,Si在Ni中的极限固溶度大于5%,而B在Ni中的极限固溶度极低。在钎焊过程中,钎料BNi82CrSiB熔化形成液相区,靠近母材的液态钎料最先依附于母材发生反应并开始结晶,在毗邻母材的钎缝区形成含Fe和A l的γ2Ni基固溶体。随着冷却结晶,γ2Ni与Ni17Si3共晶相从液相中析出,使得剩余钎料中富含Cr和B。钎缝中的B在钎焊时间内未能充分扩散,使得硼含量超过其在镍中的极限固溶度,因此在钎缝中产生了黑色CrB。并且由于钎料中含有较多的B元素,在钎焊过程中发生高温扩散作用,钎料和母材之间的相互作用很强,因此在Ⅰ区形成了扩散较深的大量的针状、条状CrB以及麻点状Fe2B,这些脆性的硼化物具有高强度、高脆性[16]。

3 结论

(1)在钎焊温度为1070℃,钎焊时间为10min工艺条件下,采用BNi82CrSiB带状钎料真空钎焊母材FeCrA l合金箔带成功制备出多孔器件并且表面无宏观缺陷,钎焊接头致密完整,试样中99%(总共约有8000个)的钎焊接头实现连接。

(2)钎焊接头由γ2Ni基固溶体,金属间化合物和共晶组织组成。大致推出钎缝中物相包括γ2Ni,Fe2 Ni3,A lNi3,CrB和Ni17Si3。钎焊接头中存在较多的硼化物相。

[1] 王振东,宫元生.电热合金[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 杨照玲,李建平,杨延安,等.铁铬铝金属纤维的制备与性能[J].稀有金属材料与工程,2008,37(9):1684-1686.

[3] 邹兴政,南宏强,韩磊,等.电热合金的研究现状及发展趋势[J].铸造技术,2009,(4):554-557.

[4] AO Q B,TANG H P,ZHU JL,et al.Sound absorption charac2 teristics of FeCrA l sintering fibrous po rous materials[J].Rare Metal M aterials and Engineering,2009,38(10):1765-1768.

[5] 陈颖,聂祚仁,周美玲,等.La对FeCrAl合金箔材抗高温氧化性能的影响[J].2008,35(8):34-36.

[6] 田保红,徐滨士,马世宁,等.热喷涂FeCrAl/WC涂层的组织和高温冲蚀行为[J].焊接学报,2004,25(3):75-78.

[7] SU Z,ZHANGJ Z,WENGD,et al.A method to form well2ad2 heredγ2Al2O3layers on FeCrAl metallic supports[J].Surface& Coatings Technology,2003,167(1):97-105.

[8] 朱小勇,郭耘,郭杨龙,等.金属蜂窝载体表面负载活性氧化铝涂层的研究[J].工业催化,2008,16(8):8-13.

[9] BADIN IC,LAURELLA F.Oxidation of FeCrAl alloy:influence of temperature and atmosphereon scale grow th rate and mechanism[J]. Surface&Coatings Technology,2001,135(2):291-298.

[10] 徐卫平,白文彬,邱望标.蜂窝材料的真空钎焊工艺及应用[J].材料研究与应用,2008,2(1):71-73.

[11] 张启运,庄鸿寿.钎焊手册[M].北京:机械工业出版社,1998. [12] 张新平,史耀武,任耀文.Ni82.5SCr7Si4.5B3Fe3多元非晶合金钎料的晶化行为及其真空钎焊特性[J].西安交通大学学报, 1993,27(5):57-64.

[13] TUNG S K,L IM L C,LA IM O.Solidification phenomena in nickel base brazes containing boron and silicon[J].Scripta Mate2 rialia,1996,34(5):763-769.

[14] 周媛,毛唯,李晓红.BNi82CrSiB钎料钎焊DD6单晶合金接头组织及力学性能研究[J].材料工程,2005,(5):3-6.

[15] GB/T1234-1995,高电阻电热合金[S].

[16] 庄鸿寿,E·罗格夏特.高温钎焊[M].北京:国防工业出版社, 1989.

M icrostructure of FeCrA l A lloy Vacuum Brazing w ith Ni82CrSiB Filler M etal

GAO Yong,XIA Zhi2dong,CU I Ying2ya
(School of M aterials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

The FeCrA l foil was coiled into a round porous structure and it was brazed in vacuum at 1070℃for 10min using the BNi82CrSiB brazing foils.Results showed that there were no defects on the surface,and the sound joint w as obtained,and 99%(the number of joints is about 8000)of the solder jointswere connected.The microstructures were made up w ith Ni2based solid solution,inter2 metallic compounds and eutectic structure.It w as show n that the interface reaction p roducts w ereγ2 Ni,FeNi3,A lNi3,CrB and Ni17Si3.A great number of bo rideswere fo rmed in the brazed joint.

BNi82CrSiB filler metal;FeCrA l alloy;vacuum brazing;microstructure

TB454

A

100124381(2010)1020057204

211工程——服务北京优秀团队项目(00900054R0001)

2010206220;

2010207220

高勇(1986—),男,硕士研究生,现主要从事钛合金真空钎焊方面的研究工作,联系地址:北京工业大学材料科学与工程学院(100124),E2mail:gaoyong19860330@163.com