含硼镍基钎料钎焊IC-6合金接头显微组织分析

2000年3月

航 空 材 料 学 报

JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALS

Vol.20,No.1March2000

含硼镍基钎料钎焊IC-6合金接头

显微组织分析

谢永慧 刘效方 毛 唯 颜鸣皋

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:通过对Ni-B钎料在1220e保温不同时间钎焊IC-6合金接头显微组织的分析,研究了钎缝中C+Cc组织及近缝区硼化物的形成和变化。结果表明,仅依靠母材中Al元素的扩散钎缝中也能形成C+Cc组织,但存在大量晶界,对接头高温性能不利。近缝区出现两种类型的硼化物,其Ni和Mo原子比分别近似为1B1和1B2,形貌和分布随保温时间不同而变化。

关键词:IC-6合金;镍基钎料;接头组织

中图分类号:TG245 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2000)01-0001-06

IC-6合金是一种新型Ni3Al基定向凝固高温合金[1],主要成分为Ni-(10~14)Mo-(7.5~8.5)Al-(0.03~0.15)B(wt%)和少量的C等元素。通过1260e/10h油冷或氩气冷却处理使铸件组织均匀化,得到75~85vol%的Cc-Ni3Al(Al,Mo)和15~25vol%的C-Ni(Mo,Al)两相组织,另外还有少量的硼化物相。由于其优良的高温性能,可用作先进航空发动机的涡轮叶片材料。 钎焊IC-6合金时为得到性能优异的接头,常用钎料一般以Ni-Cr为基,选择加入Mo,W,Ta等元素进行固溶强化,必要时加入Al和少量Ti进一步强化,并保持高的Cr或适量加入Co以提高钎料的抗氧化性,另外需加入降低钎料熔点的B,Si,Zr,Hf等元素。由于B元素的原子半径小,扩散速度快,且工艺性能良好,因而是钎料中最常用的降熔元素,添加量通常在1~3wt%左右,远远高于IC-6母材的B加入量。在母材中少量B(<0.03wt%)可以提高合金高温塑性和持久强度[2],而钎料中B的存在却带来一定问题。由于B能够与一系列金属元素间形成高硬度的脆性硼化物相,且通常位于钎缝过渡区范围,对接头性能带来不利影响。此外,希望钎缝中形成与母材类似的C+Cc组织,以提高钎缝高温强度。因此了解钎缝中C+Cc和近缝区硼化物的形成演变过程,探讨硼化物扩散消除方法,对指导钎焊工艺,提高接头性能有重要意义,并为IC-6合金的推广应用打下基础。

收稿日期:1999-08-23

作者简介:谢永慧(1973-),女,博士研究生

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1 试验材料及试验方法

为避免母材中B元素的影响,本文选用不含B的IC-6试板,切取试样尺寸为15mm@15mm@3mm,用细砂纸打磨后,在丙酮溶液中超声清洗。 为简化考虑,钎料化学成分选为Ni-20at%B,熔化温度区间为1080~1150e。先在真空充氩熔炼炉里炼成小锭,然后利用非晶态淬带设备制成30~50Lm厚的箔带。

将两层钎料箔(总厚度约80Lm)置入试样间,储能点焊定位。 钎焊试验在真空钎焊炉中进行,其热态真空度优于2@10-2Pa。

钎焊温度选择为1220e,保温不同时间后随炉冷却。利用MNM-80型光学金相显微镜和JSM-5600型扫描电子显微镜观察接头显微组织,并利用LINKI-SIS300能谱仪测定物相的成分。

2 试验结果及分析

2.1 钎缝中Cc相的形成

在1220e保温不同时间的接头组织变化如图1所示。1220e保温5min,钎缝由两侧的Ni基固溶体和中央连续分布的Ni+Ni3B点状共晶组织组成。保温1h时,钎缝中央的共晶组织变为断续分布。保温时间2h以上,钎缝中央的共晶组织消失,从C相中析出Cc相,成为单一的C+Cc组织,且C+Cc组织中存在大量晶界。随着保温时间的延长,C+Cc组织的形貌发生变化(图2)。开始析出的Cc相非常细小,近似呈球形,直径小于0.5Lm,Cc相在钎缝中所占体积百分数约为40%。保温时间延长,Cc相长大,形状变为立方形,部分形成四个一群的四方形Cc,在钎缝中占有的体积百分数增加。保温24h时,Cc相的尺寸大于1Lm,体积百分数达到75%。

钎焊过程中,钎料与母材发生相互作用,钎料元素向母材扩散的同时,母材元素向钎缝中溶解。钎料本身不含Al元素,因此钎缝中Cc的析出主要是靠钎焊过程中母材中的Al向钎缝的扩散。由于钎料成分简单,按照Cc形成因子的公式6(Al+Ti+Nb+Ta+V+Hf+1/2W)计算[3],钎缝中Cc的形成因子很低。随着保温时间的延长,钎缝中的Al元素平均浓度提高。如图3所示,保温时间从2h延长至8h时,钎缝中Al元素的平均浓度约从4wt%达到6.5wt%,与母材中的Al含量相当。进一步延长保温时间,Al元素含量略有下降。Cc相的大小和形状与形成因子有关,因而随着钎缝中Cc形成因子的提高,从C相中析出的Cc相尺寸不断增大,形状由球形变成立方形。同时,依靠母材中Mo元素的扩散,钎缝中Mo元素的平均浓度也随着保温时间的增加而提高。Mo是一种既能强化C相又能强化Cc相的元素,因此钎缝中Mo元素浓度的提高对改善钎缝高温强度有利。

2.2 近缝区硼化物 IC-6合金均匀化处理后,枝晶干Cc相尺寸约为1~3Lm,枝晶间Cc相尺寸约

[2]

为0.1~0.3Lm,C相构成支架。当B含量超过0.05wt%时,在枝晶间部位会出现块状硼化物相,经成分和结构分析确定其化学式为Mo2NiB2。

第1期 含硼镍基钎料钎焊IC-6合金接头显微组织分析 3

图1 1220e保温不同时间钎焊接头的组织

Fig.1 Brazingjointmicrostructureat1220efordifferentheatingtime

(a)5min;(b)1h;(c)2h;(d)4h;(e)16h;(f)24h

在IC-6合金的钎焊过程中,钎料中的B向母材扩散,B在C和Cc相中的溶解度很小,在接头近缝区容易形成硼化物相。硼化物的形貌随保温时间的变化如图1所示。

保温很短时间,近缝区就有硼化物生成,长度较小,分布密集。在扫描电镜下观察表明(图4),在近缝区母材的枝晶干部位出现了有一定取向的小短棒状硼化物,呈纵、横向交错分布,成分分析NiBMo(at%)约为1B1。母材原始的C+Cc网格被破坏,Cc相基本连成一片,残留少量C+Cc的小孤岛。

B是一种正偏析元素,凝固时富集在枝晶间部位,因而枝晶间的硼化物针较长,另有部分呈短粗棒状。成分分析NiBMo(at%)约为1B2。由于硼化物的析出消耗了较多的Mo和Ni元素,使其周围的Al元素相对富集,因此在周围形成了Cc包膜,并且包膜是连通的。针(棒)的取向也有一定规律,多为/米0形分布。

4 航 空 材 料 学 报 第20卷

图2 保温不同时间钎缝中C+Cc的组织形貌

Fig.2 MicrostructureofC+Ccinthebrazingseamfordifferentheatingtime

(a)grainboundaries;(b)2h;(c)6h;(d)8h;(e)16h;(f)24h

枝晶干的边缘区域是B的快速扩散通道,此处往往形成很长的硼化物针(或粗棒)和很宽的包膜。B沿此通道扩散很远,距离钎缝中心较远的地方也有硼化物出现。

保温时间较长时,近缝区的硼化物针长度增加,包膜独立,不再连通。硼化物分布变稀疏,距离钎缝中心越来越远(图3)。因此延长保温时间,在不影响母材性能的前提下,能够改善接头

近缝区组织,有利于提高接头的高温性图3 钎缝中元素平均浓度、硼化物分布距钎缝能。中心距离随保温时间的变化曲线 综上可知,IC-6合金钎焊接头近缝区Fig.3 Variationofmainelementcomposition

intheseamandboridesdistribution出现的硼化物与母材中B的添加量>0.05

wt%时出现的硼化物有三点不同。其一,它

图4 硼化物形貌的二次电子像

Fig.4 SEIofborides(a)dendrite(b)interdendrite(c)edgeofdendrite

第1期 含硼镍基钎料钎焊IC-6合金接头显微组织分析 5 以两种形态存在,一种是细针状硼化物,NiBMo(at%)近似为1B1,另一种是块状或粗棒状硼化物,NiBMo(at%)近似为1B2(由于试验用能谱仪测量B等轻元素含量时误差很大,故未能精确定量);其二是在针或块状硼化物的周围通常会伴随形成包膜;其三是不仅在枝晶间,在枝晶干部位也有硼化物形成。

3 讨 论

高温持久强度一直被认为是评价高温合金钎焊接头质量的最严格的指标。钎焊IC-6合金时,希望钎缝中形成与母材类似的C+Cc相,而且Cc相的尺寸、形状及在钎缝中所占的体积百分数和母材相当。本文采用的Ni-B钎料本身不含其他合金元素。由于钎缝原始宽度较小,约80Lm,仅依靠母材中Al元素的扩散钎缝中就能形成Cc相,但却会造成近缝区母材中Al元素的贫化。另一方面,由实验结果可知,高温下延长保温时间,Cc相长大,所占体积百分数增加。然而只靠母材中Al的扩散,即使保温24h,钎缝中Cc相占有的体积分数也难与母材(85%)相当。另外钎缝中的C+Cc组织存在大量晶界,这些显然对钎缝高温持久强度不利。因此,需要在钎料中添加多种合金元素,如固溶强化元素Cr,Mo,W等,Cc形成元素Al和Ti等,以强化钎缝C+Cc组织,提高钎缝强度。 IC-6合金钎焊接头近缝区由于B的扩散出现硼化物。化学成分分析表明存在两种类型的硼化物,其Ni和Mo原子比不同,分别近似为1B1和1B2。距钎缝较近的区域B浓度高,多形成后一种硼化物;距钎缝较远处B的浓度低,多出现前一种硼化物。因而推测两种硼化物的化学式可能为(Mo,Ni)2B和Mo2NiB2。两者之间是否存在相互转化,以及对其成分、结构的精确分析还有待于进一步工作。

硼化物的形成过程可用B+C-Ni(Mo,Al)+Ccy1-Ni3Al(Mo,Al)

ccc

NixMoyBz+C2-Ni3Al(Mo,Al)表示。其中C和C1代表母材原始组织,C2代表硼

cc化物NixMoyBz周围形成的包膜。分析表明,C1和C2的化学成分存在微小差别,

c

主要是C2包膜的Al含量略高,Mo含量略低。另外,硼化物在一定位置上的形核、长大及其周围包膜形成、变化的热力学机理,近缝区硼化物对接头高温性能的影响等也是值得深入研究的问题。

4 结束语

仅依靠母材中Al元素的扩散,在钎缝中也能形成C+Cc相,但存在大量晶界,高温强度低。因此钎料中应添加多种合金元素,以提高钎缝本身高温性能。由于钎料中B的扩散在母材近缝区形成硼化物,化学成分分析表明有两种类型,Ni和Mo原子比不同,形貌也有区别。硼化物的形貌和分布随保温时间不同而变化。参考文献:

[1] 肖程波.添加钇和硅对IC-6合金微观组织和性能的影响:

航空材料研究院.1999

[博士论文].北京:

北京

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[2] HANYF,LISH.Theeffectofboronadditionsonmicrostructureandmechanicalpropertiesofa

DSCc-Ni3Albasealloy.StructuralIntermetallics.1993.453~461

[3] 陈国良.高温合金学.北京:冶金工业出版社.1988

StudyonIC-6superalloybrazingjointmicros-tructurewithNi-Bfillermetal

XIEYong-hui LIUXiao-fang MAOWei YANMing-gao

(InstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)

Abstract:ThebrazingjointmicrostructureofIC-6superalloyusingNi-Balloyat1220efordifferent

heatingtimewasinvestigated.TheresultsindicatethatC+Cccanbeformedinthebrazingseambythe

diffusionofAlofIC-6alloyalone.However,thehightemperaturestabilityofCcisverypoor,andalotofgrainboundariesexistinthebrazingseamwhichareharmfultothejointproperty.Therearetwokindsofboridesformedinthenear-seamzone,withdifferentNiBMo(at%).Theappearanceanddistributionoftheborideswillchangefordifferentkeepingtimeatthebrazingtemperature.

Keywords:IC-6superalloy;nickel-basedfillermetal;jointmicrostructure