采用纯铜中间层的TiNi形状记忆合金激光焊接.pdf

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采用纯铜中间层的TiNi形状记忆合金激光焊接9采用纯铜中间层的TiNi形状记忆合金激光焊接LaserWeldingofTiNiShapeMemoryAlloyUsingPureCuasInterlayer李洪梅,孙大千,王文权,韩耀武,董鹏(吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部国家重点实验室,长春130025)————LIHongmei,SUNDaqian,WANGWenquan,HANYaowu,DONGPeng(KeyLaboratoryofAutomobileMaterials(MinistryofEducation),SchoolofMaterialsScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025,China)摘要:采用纯Cu中问层,对TiNi形状记忆合金丝脉冲激光焊接进行研究。利用光学显微镜,扫描电镜,微区XRD等分析测试手段,研究了TiNi形状记忆合金丝激光焊接头的微观组织特点。为研究接头的力学性能和形状记忆效应,对其进行拉伸和弯曲试验。结果表明,焊缝区组织分布不均匀,不同形貌区域的成分差别较大,XRD分析焊缝区生成了Bz,B,,。Ni,Cu基固溶体及Cu与Ti的金属间化合物相CuTi,CuTi,Cu。Tiz,Cu。Ti等。TiNi形状记忆合金激光焊接头抗拉强度为489~536MPa,断VI呈典型的韧一脆混合断裂特征。形状记忆恢复率达99以上。关键词:激光焊;TiNi形状记忆合金;组织;力学性能中图分类号:TG456.7文献标识码:A—文章编号:1。01-4381(2010)10-000904—Abstract:YAGlaserweldingwasusedtojoinTiNishapememoryalloythinwireswithpureCuasin—terlayer.ThemicrostructuralcharacterticswereinvestigatedbymeansofopticaImicroscopy,scan——ningelectronicmicroscopyandmicroXRDeta1.Thetensileandbendingtestswerecarriedouttoexaminethemechanicalpropertiesandshapememoryeffectofthejoint.Experimentalresultsshowthatthejointhastheheterogeneousmicrostructureandelementdistribution.B2,B19,,Ti3Ni4,Cusolid—solutionandtheintermetalliccompounds,suchasCuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti2,Cu3Tiweredetec——tedinfusionzonebvXRDtest.Thelaserweldediointexhibitstheultimatestrengthof489536MPa—withductilebrittlemixedfracturemode,andtheshaperecoveryratioreachesto99.Keywords:laserwelding;TiNishapememoryalloy;microstructure;mechanicalproperty形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)是近几十年发展起来的一种新型功能材料,它具有独特的形状记忆效应和超弹性。在已发现的具有形状记忆效应的合金中应用最广的是近等原子比的TiNi合金。它除了具有形状回复率高的优点外,还具有优良的力学性能,抗腐蚀性和生物相容性等特点,在航空航天,原子能,海洋开发,仪器仪表,家用电器以及医疗器械领域获得了广泛的应用l1-47。因此,TiNi形状记忆合金的连接技术便成为制约其广泛应用的瓶颈技术。形状记忆合金的连接除了要求没有缺陷和具有一定的力学性能外,还必须保证连接后接头的形状记忆效应和超弹性达到要求。因此,它比一般的金属材料的焊接性更差,焊接质量更难把握,连接方法亦受到限制。激光焊具有功率密度高,焊缝细窄,热变形小及光束方向性好等特点,特别适用于TiNi形状记忆合金小型器械的精密和微细焊接成型连接。]。但是,TiNi合金直接对焊得到的接头强度不高,多呈脆性断裂特征,且很少有关形状记忆效应的研究。因此,采用合适的中间层改善接头的脆硬性,以获得较高力学性能的接头是必要的。Cu具有熔点低,屈服强度低,塑性好,变形能力强,耐蚀性好等特点,有利于激光焊接过程中降低接头应力,改善接头性能。本工作采用纯Cu作为中间层,对TiNi形状记忆合金进行了激光对接接头的成分,组织与力学性能的研究,同时对接头的形状记忆效应进行了研究,为改善TiNi形状记忆合金的连接质量提供实验数据和必要的理论依据。1实验材料及方法实验材料为Ti一49.8%(原子分数/%,下同)Ni1O材料工程/2010年1O期形状记忆合金丝(TiNiSMA),TiNiSMA组织由Bz相和少量B相组成,其组织形貌如图1所示。尺寸规格为:0.48mm×0.64mm×30mm。采用厚度为4Opm的纯Cu作为中间层。采用JHM-1GY一3OOB型YAG激光焊接机,在脉冲频率1HZ,光斑直径O.5mm,单脉冲能量5.23J,脉冲宽度6ms条件下进行双面点焊。焊前将TiNiSMA丝待焊端面分别用800,1200砂纸磨平,用丙酮去除试件表面的油脂,然后用氢氟酸,硝酸混合溶液去除材料表面的氧化膜,清水冲洗后吹干,装在自制的夹具上,在氩气保护下施焊。激光焊示意图如图2所示。采用OLYMBUSOSL3000型激光共聚焦扫描显微镜(ConfocalLaser—ScanMicroscopy,CLSM),EVO18型扫描电镜(SanningElectronMicroscopy,SEM)研究接头的微观组织,成分分布及断口形貌。采用D8DiscoverwithGADDs型微区x射线衍射仪(X-rayDiffraction,XRD)分析接头的相组成。采用MTS81O型拉伸试验机对接头进行拉伸试验,拉伸速率为0.2mm/min,重复5次;用MH一3型显微硬度计测量焊接接头的显微硬度,加载力为200g力,作用时间为5S。图1TiNiSMA母材组织Fig.1MicrostructureofTiNiSMAbasemetal图2激光焊示意图Fig.2SchematicdiagramoflaserweldingTiNiSMA接头的形状记忆效应采用国内外常采用的弯曲变形方法测定,试验原理图如图3所示。将试样放在自制的模具上均匀弯曲,卸载后即发生弹性回弹,测出试样的弹性回弹角0。,然后将变形后的试样放在lOO ̄C的沸水中直到试样形状不再发生改变,同时测量出回复角0。变形恢复率7/用下式计算:一×oo一面:^uu。图3弯曲试验宏观示意图Fig.3Macroschematicdiagramofbendingtesl2实验结果与讨论2.I接头组织图4为TiNiSMA激光焊对接接头焊缝区形貌。由图4可见,接头焊缝区组织分布不均匀,且呈现出多种不同形貌区。为了研究方便将焊缝不同形貌区域分为柱状晶区A,灰色细针状区B,白色针状区C和黑色针状区D。结晶形态主要决定于合金中的溶质浓度,结晶速度和液相中温度梯度的综合作用。激光焊过程中各种力相互作用,熔池运动复杂;加之激光焊的加热和冷却速度相当快,熔池持续时间非常短,溶质元素没有充分混合均匀的情况下就已经凝固了,因此焊缝组织不再是连续的金属间化合物层,取而代之的是形态各异的不规则组织。图4接头的微观组织Fig.4Microstructuresofweldedjoint进一步将各区进行能谱分析,图5为用点分析法得到的能谱图。能谱分析表明,A区中Cu,Ti,Ni含—量分别为24.37%,37.30,38.33,根据TiNi,T._Cu和Ni~Cu二元相图推断,A区可能形成B+B+采用纯铜中间层的TiNi形状记忆合金激光焊接CuTi+Cu4Ti3+Cu3Ti2+Cu的混合相。B区Cu(14.06)的含量较A区少,Ti(41.60),Ni(41.34)的含量较高,推断该区主要形成B+B+CuTi+CuTi的混合相。C区能谱分析中未检测到Cu元素,Ti,Ni含量分别为48.13,51.87(Ni含量略高于母材),表明该区仅为母材的重新熔化凝固,激光焊的加热冷却速度极快,该区熔化的母材来不及充分混合便凝固,使该区成分与母材基本保持一致,由此推断C区主要为B+B。,+TiNi。形成的混合相。在D区,Cu(74.46)元素含量明显增大,Ti(12.84),Ni(12.70)含量较少,推断该区主要为Cu+Cu3Ti2-+-Cu4Ti的混合相。图5图4中A区(a),B区(b),C区(c),D区(d)的EDS分析结果Fig.5EDSspectraofregion(a),(b),(c),(d)inf4为了进一步确定激光焊接头的相组成,对接头进行了XRD分析,图6(a),(b)分别为焊缝区不同层面的XRD图谱。分析显示焊缝区主要由B,B,Ti3Ni4,Cu,CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti组成。分析结果中未检测出TiNi。相,取而代之的是非平衡亚稳相Ti。Ni4相,这主要是由于激光焊冷却速度极快,使Ti。Ni相来不及分解就被冷冻保存下来。Ti。Ni相对改善接头形状记忆效应具有一定的作用。同时分析结果中未检测到CuTi和CuTi两相,可能是由于这两相在焊缝中相对含量比较少。而非平衡相Cu。Ti被检测出,Cu。Ti被认为具有形状记忆,高强度和声音吸收特性,对提高接头的形状记忆效应及力学性能起到积极作用。焊缝中的固溶体Cu的形成有利于缓解接头应力,改善接头力学性能。2.2接头力学性能焊接接头组织的不均匀性情况可通过硬度分布很好地反映。图7为TiNiSMA丝激光接头的显微硬度分布曲线。由图7可见,焊缝区的硬度值分布极不均匀且偏高,局部硬度值更高。这与焊缝区生成的CuTi,图6接头的X射线衍射谱图Fig.6XRDpatternofweldedjointCuTi。,Cu。Ti等金属间化合物含量及晶粒大小有关。此外,分别对不同形貌区域A,B,C和D进行硬12材料工程/2010年l0期度测试,结果显示,灰色细针状区B的硬度值最高达456HV,是由该区细晶强化和Cu与Ti生成的金属间化合物共同作用的结果;其次为柱状晶区A达406HV,主要与生成的金属间化合物有关;白色针状区266HV(与母材硬度值相当),表明该区组织与母材组织基本相同;硬度值最低的为黑色针状区D仅为228HV,主要与Cu的软化作用有关,该区主要以Cu基固溶体为主,而Cu本身硬度低,延展性好。热影响区硬度值略低于母材,激光焊接过程中受热输人的影响,热影响区部分晶粒较母材的略大,硬度值下降。硬度的不均匀性与上述组织的不均匀性是一致的。Distance/p.m图7接头显微硬度分布—Fig.7Microhardnessdistributioncurvesofweldedjoint图8为TiNi激光焊接头的应力一应变曲线。TiNiSMA丝接头的应力一应变过程分为三个阶段:I弹性变形阶段;lI屈服阶段;IlI塑性变形阶段。其中弹性变形阶段的延伸率约为1。特别值得注意的是,屈服阶段的延伸率高达到6.8,约占应变总量的6O%,这是由于焊后试样在拉伸过程中经历了两侧母材的屈服叠加,从而使屈服阶段的延伸率提高。在随后的塑性变形阶段,应力应变同时增加,最终断裂。实验结果显示TiNiSMA激光焊接头的抗拉强度为489~536MPa,其断口具有典型的韧一脆混合型断口特征,如图9所示。虽然接头强度仅达到母材强度的5O左右,但这一结果明显高于文献ES]中作者采用直接对接焊接接头的力学性能。表明尽管添加中问层Cu在焊接过程中产生了一些金属间化合物,对接头的力学性能产生了一定影响,但总体上对提高TiNiSMA激光焊接头的力学性能是较为有利的。在形状记忆效应测试中,母材的形状恢复率为99.6,激光焊接头的变形恢复率高达99%以上,几乎与母材相当。这一结构高于文献[12]中采用电阻点焊获得的变形恢复率。这可能与焊缝中形成的Ti。Ni相有关。激光焊冷却速度快有利于获得非平衡凝固亚稳相Ti。Ni,而Ti。Ni是与基体TiNi合金图8接头的应力一应变曲线—Fig.8Stressstraincurvesofweldedjoint保持共格关系的化合物相,Ti。Ni相的析出不仅可以提高形状记忆合金的恢复率,同时也是TiNi合金产生双程和全程形状记忆效应的主要因素。图9接头断口形貌Fig.9Fracturesurfacemorphologiesofweldedjoint3结论(1)采用Cu中间层激光焊接可实现TiNi形状记忆合金丝的精密连接。激光焊接头组织和成分分布不均匀,可以见到组织差异明显的四个区域,即柱状晶区,灰色细针状区,白色针状区和黑色针状区。(2)焊缝区形成了固溶体Cu和Cu与Ti的金属间化合物CuTi,CuTi3,Cu。Ti2,Cu3Ti以及对TiNi形状记忆合金的形状记忆效应效果起到重要作用的Ti3Ni4。(3)焊缝区硬度值较高,且分布不均匀。接头抗拉—强度为489536MPa,断口为典型的韧一脆混合型断口,形状回复率达99%以上,几乎与母材相当。参考文献[1]赵连成,蔡伟,郑玉峰.合金的形状记忆效应与超弹性[M].北京:国防工业出版社,2002.(下转第26页)26材料工程/2010年1O期金钎料的熔程,同时细化钎料组织。(2)随着Ag含量从0.5增加到2.5,Sn一—1.5ZnxAg钎料的最大润湿力F不断增加;但添加Ag也导致润湿时间增大;Ag含量为2.0时钎料的—润湿性最好;Sn一1.5ZnxAg钎料对铝基板的润湿性要—明显好于Sn一3.OAgo.5Cu钎料。—(3)添加Ag元素能提高Sn一1.5ZnxAg钎料钎焊—铝接头的抗腐蚀性,但并不明显;Sn一1.5ZnxAg钎料—钎焊的铝接头的抗腐蚀性仍明显弱于Sn一3.OAgo.5Cu钎料钎焊的铝接头。参考文献[1][2][3][4][5]CHANGTC,WANGMC,HONMH.EffectofAgadditiononthestructuresofintermetalliccompoundsandtheadhesion—strengthoftheSn一9ZnxAg/Cuinterface[J].JournalofCrystal—Growth,2003,252(13):391400.—S0NGJM,IANGF,LUITS,eta1.Microstructureandten—silepropertiesofSn一9ZnxAgleadfreesolderalloys[J].ScriptaMater,2003,48:10471O51.CHANGTC,WANGMC.HoNMH.MicrostructureandthermalbehaviorofSnzn~Agsolders[J].JournalofCrystalGrowth,2003,32(12):14961500.TSAIYI+HWANGWS.SolidificationbehaviorofSn~9Zn:rAg—leadfreesolderalloys[J].MaterSciEng,2005,A413414:312316.TCHANGTC,CH0USM,H0NMH.eta1.Microstructure[6][7][8][9][10]——————andadhesionstrengthofSn9ZnxAgleadfreesolderswettedon—Cusubstrate[J].MaterSciEng,2006,A429(12):3642.————JISZ319842003,TestmethodsforleadfreesoldersPart4:Methodsforsolderbilitytestbyawettingbalancemethodandacontactanglemethod[S].—SONGJM,LUITS,iANGF,eta1.Resonantvibrationbe———haviorofSnZnAgsolderalloys[J].JournalofAlloysandCom—pounds,2004,379(12):233239.CHENKI,CHENGSC,WUS,eta1.EffectsofsmalladditionsofAg,AI,andGaonthestructureandpropertiesoftheSn一9Zneutecticalloy[J].JournalofAlloysandCompounds,2006,416(1):981O5.ISLAMRA,WUBY,ALAMMo,eta1.Investigationsonmi———crohardnessofSn-Znbasedleadfreesolderalloysasreplacement—ofsnPbsolder[J 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