Cu/Hf切割电极钎焊接头组织与性能研究

• 作 者: 李杨
• 机 构: 江苏科技大学
• 出 处: 江苏科技大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: Hf 真空钎焊 热疲劳性能 深冷处理

等离子切割具有操作简单、工作环境好、切割质量优良的优点,在现在社会工业中得到广泛使用,而等离子切割的质量与切割电极的质量息息相关。本课题采用真空钎焊的连接方法对稀有金属Hf与Cu进行连接,研究了在三种不同钎焊温度下成型接头的显微组织和硬度的变化。考虑在服役时,电极往往处于冷热交替循环变化的过程中,对电极进行热疲劳测试,通过测量钎焊接头在不同热疲劳次数下裂纹长度评价接头的热疲劳性能。为优化电极性能延长使用寿命,对其进行深冷处理,研究深冷处理对材料显微组织和硬度的影响,并对其机理进行分析。研究结果如下:采用810℃、828℃、835℃作为焊接温度实现了铜铪异种金属的连接,成型质量好,没有出现缺陷。钎缝由Hf侧黑色带状扩散区、非等温凝固区、等温凝固区和Cu侧山峰状扩散影响区组成。Hf侧黑色带状物中由Ag、Cu、Hf的三元固溶体相和含Hf的化合物组成,非等温凝固区由Hf的化合物组成,等温凝固区由富Cu固溶体、富Ag固溶体组成,Cu侧扩散区由富Cu固溶体组成。由于在非等温凝固区出现的化合物较多,故此区域是钎缝中硬度最大的。随着钎焊温度的升高,钎料扩散得更彻底,焊缝内各元素得到充分的反应,非等温凝固区减小,等温凝固区随之变宽,Hf侧扩散区变宽。钎缝中各处的硬度也都随这温度的升高而增大。对钎焊接头在600℃下进行热疲劳测试,以冷水作为冷却介质,上限加热时间t1=120s,下限冷却时间t2=20s,分别进行200、500、800及1100次热疲劳循环测试。钎焊温度810℃接头在热循环200次时在非等温凝固区首先萌生出裂纹,长度约5μm,随着热疲劳应力的累积,Hf侧扩散区出现裂纹,由于Hf侧扩散区范围小,故裂纹扩展不明显,此接头中以非等温凝固区裂纹为主裂纹,当疲劳次数1100次时,长度达到40μm。钎焊温度828℃、835℃接头,热疲劳性能相似,由于其焊接温度升高,Hf侧扩散区范围变广,此处又以化合物为主,故疲劳应力容易堆积于此,首先在此处产生裂纹,疲劳测试的进行使得裂纹不断扩展,进而在非等温凝固区产生裂纹。钎焊温度835℃接头萌生裂纹更晚,裂纹扩展速率也更慢,其热疲劳性能更好。深冷处理试验以液氮作为降温介质,保温时间为2h、4h、6h。随着深冷处理保温时间的延长,晶粒体积发生收缩,排列更紧密,对微观组织中出现的部分空位等缺陷起了补救的作用,且促进了强化相的析出。深冷处理使晶粒更紧密,提升了接头的硬度。对钎焊温度835℃深冷处理6h的接头进行热疲劳测试,当热疲劳次数循环次数500次时,钎缝非等温凝固区出现长约6μm的裂纹,当循环1000次时,在非等温凝固区Hf侧扩散区交界处出现一条平行于钎缝方向的裂纹,长约6μm。