表面镀镍对Ag基钎料钎焊YG6X与GH4169的影响_刘攀.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.4Apr.2023第 53 卷 第 4 期2023 年4 月表面镀镍对Ag基钎料钎焊YG6X与GH4169的影响刘攀，钟素娟，裴夤崟，张冠星，秦建，乔瑞林郑州机械研究所有限公司 新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南 郑州 450001摘要：针对AgCuNiMn系钎料在GH4169合金表面的流动性能较弱的问题，在YG6X/AgCuNiMn/GH4169钎焊体系中，通过对比钎料在有无镍镀层的GH4169表面的润湿形貌及最终润湿角的大小，分析了GH4169表面镀镍对钎料在GH4169表面润湿性能的影响；并借助SEM对有镍镀层钎缝组织进行分析，结合接头拉伸性能试验揭示了镀镍层对接头微观组织与力学性能的影响。研究结果表明，在GH4169表面镀镍能显著提高钎料在合金表面的润湿铺展性能，镀镍后AgCuNiMn钎料在合金表面润湿角最小可达4；在钎料与高温合金界面处存在约20 m的镍层反应区，该反应区在提高钎料润湿性能的同时一定程度上阻碍了高温合金母材中Fe、Cr与Nb等元素向钎缝区域扩散，从而降低了接头的拉伸强度，平均抗拉强度为631.6 MPa。关键词：真空钎焊；润湿性能；镀镍；高温合金；AgCuNiMn系钎料中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）04-0097-06Effect of Nickel Plating on the Brazing of YG6X and GH4169 with Ag Based SolderLIU Pan,ZHONG Sujuan,PEI Yinyin,ZHANG Guanxing,QIN Jian,QIAO RuilinState Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals&Technology,Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,ChinaAbstract:In response to the issue of weak flowability of AgCuNiMn filler metal on the surface of superalloys,in the YG6X/AgCuNiMn/GH4169 brazing system,the wetting morphology and final wetting angle of the brazing materials on the GH4169 surface with or without nickel coating were compared,and the effect of nickel plating on the wetting performance of the brazing materials on the GH4169 surface was analyzed;and with the help of SEM,the microstructure of the brazed joint with nickel coating was analyzed,and combined with the tensile performance test results of the joint,the influence of the nickel coating on the microstructure and mechanical properties of the joint was revealed.The study found that nickel plating on the surface of GH4169 can significantly improve the wetting and spreading performance of the solder on the alloy surface.After nickel plating,the minimum wetting angle of AgCuNiMn solder on the alloy surface can reach 4,and there is about 20 m reaction zone at the interface between the solder and the superalloy.The presence of the reaction zone can improve the wettability of the solder and prevent the diffusion of elements such as Fe,Cr,and Nb from the base metal of the superalloy into the solder joint region,thereby reducing the tensile strength of the joint,with an average tensile strength of 631.6 MPa.Keywords:vacuum brazing;wettability;nickel coating;superalloy;AgCuNiMn solder引用格式：刘攀，钟素娟，裴夤崟，等.表面镀镍对Ag基钎料钎焊YG6X与GH4169的影响 J.电焊机，2023，53（4）：97-102.Citation:LIU Pan,ZHONG Sujuan,PEI Yinyin,et al.Effect of Nickel Plating on the Brazing of YG6X and GH4169 with Ag Based SolderJ.Electric Welding Machine,2023,53(4):97-102.收稿日期：2023-03-15基金项目：工信部高质量发展专项（203ZS20220050）作者简介：刘攀（1998），男，硕士研究生，主要从事新型钎焊材料设计与开发的相关研究。通信作者：钟素娟（1974），女，博士生导师，主要从事新型钎焊材料、工艺与装备的设计与开发。E-mail：。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.04.112023 年0 前言硬质合金与钢钎焊工具目前被广泛应用于刀具行业、矿山工业等领域1-3，随着现代工业的急速发展，其在某些特殊领域如航空航天、极地深海等极端工况下的应用越来越得到重视4，由此对硬质合金与钢基体的钎焊质量提出了更高的要求。针对在某些极端工况下使用常规钢材与常规钎料钎焊的硬质合金工具其焊接质量难以满足使用要求的难题，急需开展材料的设计以及工艺的开发5-6，如原位合成7以及表面改性等技术。尤其是在焊件结构十分复杂时，钎料在母材表面的润湿流动性能是达到良好焊接质量的前提条件8。GH4169作为一种沉淀强化镍基高温合金，因其在-253650 之间具有高的抗拉强度、屈服强度、持久强度和塑性被广泛应用于航空航天、石油化工等领域9，将其与硬质合金相连接充分发挥各自的性能优势对于扩大硬质合金钎焊工具的应用范围具有十分重要的意义。在前期研究中针对硬质合金与高温合金材料的理化性能设计了AgCuNiMn系钎料，并研究了钎焊温度对接头微观组织与力学性能的影响10，然而在后续研究中发现当焊件结构复杂时，由于焊料润湿填缝能力不足而难以满足预期要求，分析得出主要是由于试样加工精度低以及钎料自身流动能力弱所导致的，所以急需提升焊料在母材表面的流动性能。在提升钎焊过程中焊料润湿流动能力的问题上，国内外学者围绕镀镍工艺作了相关研究。在提升焊料在硬质合金表面润湿性能研究中，Ray等人11通过研究发现Ni能在一定程度上增强钎料在硬质合金上的润湿流动能力；Mahyar 等人12研究了在钎料表面镀 Ni 对BAg1钎料在硬质合金表面润湿性能的影响，发现镀镍后焊料在硬质合金表面润湿性能提升了20%。在高温合金表面增润的研究中，刘智雄等人13研究了在GH4169表面镀镍对NiCrSiB钎料润湿性能的影响，发现钎料在进行电镀处理后的合金表面表现出良好的润湿性能；Chapman等人 14 研究了在In718表面镀镍对其瞬时液相扩散焊接过程的影响，发现镀层能够有效地缓解母材向钎料合金中的溶解反应。本文基于已有的研究，在 YG6X/AgCuNiMn/GH4169钎焊体系中，研究了在GH4169表面镀镍对AgCuNiMn钎料在其表面润湿性能的影响，以及镀镍后对钎焊接头微观组织与力学性能的影响，旨在通过研究分析使得在YG6X/AgCuNiMn/GH4169钎焊体系中钎料的润湿填缝能力与接头的力学性能达到相互统一，为拓展硬质合金与钢基体钎焊工具的应用范围以及特殊工况下硬质合金与钢钎焊工具的成形制造提供一定的参考价值。1 试验材料及方法试验母材为YG6X硬质合金与GH4169高温合金，Ag基钎料由纯金属电弧熔炼制得，母材与钎料成分如表1所示，试验共分为两部分：真空润湿性试验以及真空钎焊试验。焊前对GH4169高温合金进行镀Ni处理，所用镀液为商用电镀镍溶液，电镀参数为电流2.5 A，电压10 V，磁力搅拌转速500 r/min，温度40，电镀时间5 min。电镀前需对合金表面进行严格的清洗处理，主要采用的工艺为酸洗，将试样在沸腾的硝酸与氢氟酸水溶液中浸泡23 min，用无水乙醇超声清洗并烘干待用。钎料润湿性能试验所用高温合金试样尺寸为202 mm，焊料为 80.2 mm，试样如图1所示，真空钎焊试验试样如图2所示。润湿性能试验与真空钎焊试验试验参数保持一致，钎焊温度890，保温时间10 min，真空度为710-3 Pa，钎焊时将装配好的试样放入真空炉内，焊后随炉缓冷（无镀层钎焊试样已在之前的研究中进行过试验，此处不再进行研究）。焊后采用体式显微镜观察试样钎料润湿铺展表 1母材与钎料化学成分（质量分数，%）Table 1Chemical composition of base metal and solder metal（wt.%）材质Ag钎料GH4169Ag5054Cu3336Ni355055Mn79Cr1721Mo2.83.3Nb55.5Al0.30.7Ti0.751.15FeBal.98第 4 期刘攀，等：表面镀镍对 Ag 基钎料钎焊 YG6X 与 GH4169 的影响形态，采用电火花切割观察试样截面形貌并测量钎料在不同合金表面状态下最终润湿角的大小；对于真空钎焊力学性能试样，经电火花切割从试样切取小块界面样品，经镶嵌、打磨、抛光后通过扫描电子显微镜观察试样钎缝截面微观组织并进行EDS能谱分析，由MTS万能拉伸试验机测试接头抗拉强度，拉伸速度为1 mm/min。2 试验结果与分析讨论2.1 润湿性能试验对比钎料在不同表面状态的GH4169表面润湿铺展形貌，发现钎料在有Ni镀层的GH4169表面表现出极佳的润湿流动性能。当合金表面无镀层时，钎料熔化后由于润湿角较大，在合金表面收缩团聚，呈半圆球状（见图3a），其润湿角大小为20（见图4a）；合金表面存在Ni镀层时，钎料在合金表面表现出极佳的润湿性能，钎料布满存在Ni镀层的合金表面（见图3b），其润湿角大小为4（见图4b）。2.2 接头微观组织与力学性能通过AgCuNiMn钎料钎焊YG6X与表面镀镍后的GH4169，钎焊后接头界面微观组织如图5所示，整个钎缝组织可分为三部分，分别为YG6X/钎料界面层，钎缝中心区域以及钎料/GH4169界面层，图中各点的EDS点扫结果如表2所示，根据结果可以推测A、C、E处为Cu（s，s），B、D为Ag（s，s），并且细小的Ag、Cu固溶体相弥散地分布于大块基体中，F处为富Ni相。为进一步分析高温合金表面镀层在钎焊过程中的反应程度，对钎