超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为.pdf

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超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为1 超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为2 超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为3 超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为4 超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为5 超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为6
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第442O16正卷3月第第3期—6671页材料工JournalofMaterials程EngineeringVo1.44No.3—Mar.2016PP.6671超声振动与激光加热耦合条件下Al基钎料在TiNi形状记忆合金表面润湿铺展行为SpreadingandWettingBehaviorofA1一basedBrazingFillerMetalonTiNiShapeMemoryAlloySubstratebyCoupledEffectofUltrasonicVibrationandLaserHeating李红,陶博浩,栗卓新,郭福(北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124)——LIHong,TAOBohao,LIZhuoxin,GUOFu(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)摘要:采用一种超声辅助激光钎焊的方法,对低熔点的Al基钎料在TiNi形状记忆合金合金表面进行了润湿性实验。研究结果表明:随超声时间增加,钎料铺展面积先增大后减少,润湿角先减小后增大。钎料润湿前沿存在A1。si,Al。Si,A1Si等相,钎料熔滴中心靠近界面处,A1Si和A1SiTi相的晶粒尺寸及其中si元素的含量均随超声时间增加而逐渐增大;随着激光功率的降低,钎料铺展面积逐渐降低,润湿角逐渐增大,在钎料熔滴中心靠近界面处生长出宽度小于1Om的A1Si(Ti,Ni)金属间化合物。当超声振动时间为1.0s,激光功率470W,母材表面粗糙度为0.O3m时,实验获得的最大铺展面积为106.45mm,最小润湿角为16。。关键词:超声振动;激光钎焊;钎料;TiNi形状记忆合金;润湿—doi:10.11868/j.issn.10014381.2016.03.011中图分类号:TG454文献标识码:A———文章编号:i0014381(2016)03006606Abstract:Laserwasusedasheatingsourceandlaserbrazingassistedwithultrasoundwasperformed,aimingtowetA1一basedbrazingfillermetalwithlowmeltingpointsonTiNiSMAsubstrates.Theresultshowsthatwiththeincreaseofultrasonictime,thespreadingareasincreasefirstlyandthendecrease.Black—Al2Si,Al3si,A1Siphasesareobservedatwettingfrontier.ThegrainsizeofA1SiandA1SiTiphasesinthecen—terofthedropletnearinterfacialregion,aswellastheSicontentcontaininthesegrainsincreaseswithultrasonictime.Inaddition,withthedecreaseoflaserheatingpower,thespreadingareasalsodecrease,whereasthewettingangleincreases.IntermetalliccompoundA1Si(Ti,Ni)withawidthlessthanlO/ ̄mgrowsinthecenterofthedropletnearinterfacialregion。Underthefollowingoptimalprocessingparameters,ultrasonicvibration—time1.0s,laserheatingpower470Wandthesubstratesurfaceroughness0.03/xm,themaximumspreadingareasobtainedis106.45ramandtheoptimumwettingangleis16。.Keywords:ultrasonicvibration;laserbrazing;brazingfillermetal;TiNiSMA;wetting近等原子比的TiNi形状记忆合金(TiNiSMA)具有优良的形状记忆特性和超弹性,以及良好的抗腐蚀性和生物相容性,在航天、机械、能源、交通和医疗等领域应用广泛,因此开展TiNiSMA连接技术的研究工作非常重要[】]。TiNiSMA与异种金属的连接主要存在两方面的问题:(1)TiNiSMA本身对温度及成分变化十分敏感,其焊接工艺控制比较复杂;(2)除了要保证TiNiSMA焊接接头无缺陷并具有一定的力学性能之外,还要保证接头的形状记忆效应和超弹性能够达到所需要求。因此,它比一般的金属更难于连接,常用的连接技术主要有:熔焊(激光焊、气保护焊)[4--6]和钎焊(红外钎焊、炉中钎焊、激光钎焊)_7]。—℃根据TiNi二元合金相图可知,当温度在650以—上时,近等原子比的TiNi合金中主要存在三种合金化合物:Ti2Ni,TiNi,TiNi。。激光焊的焊接接头强度较高,但是由于其焊接温度较高,TiNiSMA焊接接头组织与原母材组织相比,焊缝晶粒尺寸大小不均匀,随着激光脉冲能量的增加,焊缝区和HAZ区组织有粗化趋势嗍,并且焊缝中多存在气孔、裂纹以及TizNi等金属间化合物],影响接头的形状记忆性能和超弹性,限制了合金的应用;而钎焊通过选用合适的中、低温钎料,采用单一或复合钎焊技术,可以将钎焊温度降至合第44卷第3期单轴取向乙烯一三氟氯乙烯共聚物纤维结晶结构与性能表征67金转变温度以下,保证TiNiSMA母材不熔化,以减少TiNi,TiNi。等合金化合物对焊缝组织的影响。但由于钎料合金元素的扩散系数、热膨胀系数差别较大,在焊缝中极容易产生大量的脆性金属间化合物,从而影响钎焊接头的力学性能及形状记忆功能。有研究者认为可以通过控制焊接工艺或采用预置填充稀土元素的激光焊方法来改善TiNiSMA焊接接头的形状记忆特性_1。针对上述问题,本研究采用一种超声辅助激光钎焊的方法,在激光热输入和超声振动耦合作用下,通过激光能量直接加热钎料,可以精确控制钎焊温度在TiNiSMA合金相变温度以下,保持母材固态和原有性能不变;利用超声波去膜和促进填缝的作用,实现异种金属间的无钎剂钎焊连接l_1。本工作研究了超声振动辅助激光加热条件下,Al基钎料在近等原子比的TiNi形状记忆合金板上的润湿铺展行为,激光功率和超声时间耦合条件下的钎料铺展工艺窗口。并研究了激光功率,超声时间和母材表面粗糙度等参数变化对钎料润湿铺展性能和界面微观组织的影响。1实验材料及方法————实验采用熔点为560~600%的AlSiZnAgTi钎料,尺寸为5ram×5ram×3mm。润湿铺展母材为Ti50.2Ni49.8形状记忆合金,相转变温度为65o ̄C,熔点为1310 ̄C,尺寸为50mm×40mm×3mm。使用半—导体激光器SM30100D作为能量发射源,最大功率为0E;0'.‘o"I-1000W,光斑有效加热尺寸8mm×8mm。超声波设备频率20kHz,振幅55m。采用RaytekM13红外测温仪对润湿铺展的钎料表面进行测温。润湿铺展实验采用座滴法,将钎料置于母材上,加热钎料至其下塌熔化,在钎料一侧位置加载超声波振动,使钎料润湿铺展母材。润湿铺展工艺参数范围:超声振动时间为0.5~2.5s、激光功率分别为273W(激光电流35A)、340W(激光电流40A)、407W(激光电流45A)和470W(激光电流50A)。首先确定A1基钎料在TiNiSMA母材表面润湿铺展的工艺窗口(不同表面处理的母材表面粗糙度R分别为0.03p.m和0.8m)。参考此工艺窗口选择合适的激光功率和加热时间参数,进行钎料的润湿铺展实验。将铺展后的试样,以1元硬币作为参照物扫描,制图后用AUTOCAD计算面积。并取所有试样的最大横截面制备金相试样,腐蚀后在BX51M金相显微镜下测量润湿角,使用34O0N型扫描电镜观察界面组织形貌。2结果与分析2.1超声振动时间与激光功率耦合润湿工艺窗口图1(a),(b)分别为低熔点Al基钎料在不同表面粗糙度的TiNisMA母材上润湿铺展的工艺窗口。横坐标是激光功率,纵坐标是加热时间,指的是从激光开始加热钎料到钎料全部熔化所需的时间。钎料熔化后,超声波加载时间为0.5~2.5s,图中梯形区域将工艺窗口分为A区、B区和C区。Laserheatingpower/WLaserheatingpowerNV图1AI基钎料在TiNiSMA表面铺展润湿的工艺窗口(超声波加载时间0.5~2.5s)“(a)Ra一0.03 ̄m;(b)Ra0.8mFig.1WettinglobeofA1一basedbrazingfillermetalonTiNiSMAsubstrates(ultrasonicvibratingtime0.5-2.5s)“(a)Ra一0.03 ̄m;(b)R0.8m图1中的A区域表示下述过程:采用激光加热钎料至钎料熔化下塌,加载超声波振动瞬间钎料会铺展润湿母材,但随即会被整体或部分震飞,钎料熔滴在母材上形成了颜色黑暗、表面粗糙的球冠形润湿表面,其铺展面积较小,润湿角较大。这是因为激光加热钎料的时间过长,表面氧化严重,在加载超声振动时,钎料氧化膜破碎并在液态钎料前沿塞积,阻碍钎料流动,减少液态钎料表面张力,使钎料被震飞;图1中的C区域表示下述过程:钎料受热表面出现下塌,加载超声振动时钎料没有铺展润湿母材,其中部分钎料被整体震68材料工程2016年3月飞,钎料熔滴在母材上没有形成球冠形润湿表面,无铺展面积和润湿角。这是因为激光加热钎料的时间过短,钎料内部没有完全熔化,在加载超声振动时,钎料已经熔化的部分较少,不足以破碎氧化膜和铺展润湿母材,导致钎料被震飞;图1中的B区域表示下述过程:对下塌后的钎料加载超声振动,没有产生钎料飞溅或者从母材表面脱落的现象,钎料激光功率与超声时间能够实现很好的耦合,钎料在母材上形成了颜色光亮、表面光滑圆润的润湿球冠,与A,C区域中的润湿球冠相比其铺展面积大,润湿角小。因此,可将B区域视为超声振动时间与激光功率耦合条件下钎料润湿的工艺窗口。由图1(a),(b)可知,随着激光功率不断增大,加热钎料所用的时间逐渐缩短,B区域的窗口也越来越狭窄。如图1(a)所示,当TiNiSMA母材表面粗糙度R一0.03m、激光功率为273W时,加热钎料所用时间约为150s;而当激光功率为470W时,加热时间仅为40s。图2为表面粗糙度R=0.03/ ̄m,不同激光功率条件下,加热时间与A1基钎料表面温度的关系图。由图2可知,激光功率较高,在较短时间内(40,60s)内℃钎料表面温度可以达到620左右,而激光功率较低时,由于钎料表面已存在较厚的氧化膜层,即使加热时间较长(100,150s),钎料表面温度也较低,只有510。C左右,不足以熔化钎料。三EHeatingtime/s图2不同激光功率条件下,钎料表面温度与加热时间的关系Fig.2Variationofbrazingfillersurfacetemperaturewithheatingtimeunderdifferentheatingpowers2.2超声振动时间对Al基钎料润湿铺展性的影响激光功率为470W、TiNiSMA母材表面粗糙度R:0.03p.m时,超声振动时间对钎料铺展润湿性的影响规律如图3所示。随着超声振动时间的增加,A1基钎料在TiNiSMA表面的铺展面积先增大后减小,润湿角变化趋势与铺展面积相反,呈现先减小后增大的趋势。当超声时间为1.0s时,可获得最大铺展面积为106.45ram。和最小润湿角为16。。选取超声振动时间为1.Os和2.5s的金相试样进图3超声振动时间对Al基钎料润湿铺展面积和润湿角的影响Fig.3Effectofultrasonicvibratingtimeonspreadingareaandwettingangle行SEM和EDS分析,结果见图4,5及表1,2。由表l,2可知,超声振动时间为1.Os及2.5s时,图4(a)和图5(a)中钎料铺展前沿的黑色物相均是A1Si,Al。Si,A1Si相等。当超声振动时问为1.Os时,在靠近母材的钎料熔滴中心位置主要存在的组织为AlSi(Zn,Ti),A1。Si,A1Ti。,AISi相等;当超声振动时间为2.5s时,在靠近母材的钎料熔滴中心位置则主要存在的组织为Al。si,si。(A1,Ti),A1Si相等。而图5(b)中的灰白色、白色晶粒尺寸及其中Si元素的含量均大于图4(b)中的晶粒尺寸及Si元素含量。随着超声振动时间的延长,超声振动破碎基体和钎料表面氧化膜,一方面促进了钎料的润湿,另一方面也促进并加快了钎料与母材的相互作用,使得钎料中的Si元素、母材中的Ti等元素逐渐向润湿界面集中,并在界面处形成新的化合物。同时,在超声振动作用下,液体内部会产生强对流,会增大形状因子,使得析出的晶粒形状会更大、更接近圆形,而在液体内部发生超声空化作用时,空化气泡破碎瞬间能产生高压和不℃低于5000的高温口引,可以破碎晶粒生长过程中生成的细小枝晶,使得晶粒变得更加粗大,这些晶粒在界面处集中,阻碍了钎料的进一步流动,从而影响了钎料在TiNiSMA母材表面的铺展和润湿。2.3激光功率对Al基钎料润湿铺展性的影响超声振动时间为1.Os,表面粗糙度R一0.03gm时,激光功率对A1基钎料的铺展润湿影响见图6。随着激光功率的增加,Al基钎料在TiNiSMA表面的铺展面积逐渐增大,润湿角逐渐减小。激光功率为273W时,铺展面积最小,为91.73ram,润湿角最大,为70。。选取激光功率为273W的金相试样进行SEM及EDS分析,结果见图7及表3。由表3可知,在钎料铺展前沿存在少量灰色大块状富A1化合物,而在富A1∞∞一。)/l6c西uJ#s第44卷第3期单轴取向乙烯一三氟氯乙烯共聚物纤维结晶结构与性能表征71头力学性能的影响比较小。[1]E2][3][4][5][6]E7][8][9][1O]参考文献赵连成,蔡伟,郑玉峰.合金的形状记忆效应和超弹性[M].北—京:国防工业出版社,1992.2030.—何开元.功能材料导论[M].北京:冶金工业出版社,2008.1115.CHAUETF,FRIENDCM,ALLENDM,et.a1.Atechnical—andeconomicappraisalofshapememoryalloysforaerospaceap—plicationsEJ].MaterialsScienceandEngineering:A,2006,438—440:589592.FALVOA,FURGIUELEFM,MALETTAC.Laserweldingof—aNiTialloy:mechanicalandshapememorybehavior[J].Materi—alsScienceandEngineering:A,2005。412:235240.—VIEIRALA,FERMANDESFM,MIRANDARM,eta1.MechanicalbehaviourofNd:YAGlaserweldedsuperelasticNiTi[J].—MaterialsScienceandEngineering:A,2011,528:55605565.POUQUETJ,MIRANDAMR,QUINTIN0L,eta1.DissimilarlaserweldingofTiNitostainlesssteeI[-J].InternationalJournal—ofAdvancedManufacturingTechnology,2012,6I:205212.SHINERH,WUSK.IraredbrazingofTis0Nisoshapememory——alloyusingtwoAgCuTiactivebrazealloys[J].Intermetallics,2006,14(6):630~638.李红,栗卓新.汪应玲,等.TiNi形状记忆合金与不锈钢的瞬时液—相扩散焊[J].稀有金属材料与工程,2011,40(8):13821386.——LIHong,LIZhuoxin,WANGYingling,eta1.TransientliquidphasediffusionbondingofTiNishapememoryalloyandstainlesssteel[J].RareMetalMaterialsandEngineering,2011,40(8):—13821386.LIHM,SUND,CAIXL,eta1.LaserweldingofTiNishapememoryalloyandstainlesssteelusingCofillermetal[J].Optics—&LaserTechnology,2013,45:452460.SONGP,ZHUY,GUOW,eta1.Mechanismofcrackformation[11][12][13][14]inthelaserweldedjointbetweenNiTishapememoryalloyandTC4EJ].RareMetalMaterialsandEngineering,2013,42(2):6—9.王蔚,陈俐,赵兴科,等.预置填充稀土激光焊接对TiNi形状记忆合金功能性的影响[J].稀有金属材料与工程,2008,37:1819—1823.—WANGWei,CHENLi,ZHAOXingke,eta1.EffectoflaserweldingofpresetrareearthtotheweldedjointonthefunctionalpropertiesoftheTi一50.9atNishapememoryalloy[J].Rare—MetalMaterialsandEngineering,2008,37:18191823.许志武,闫久春,钟利,等.铝合金超声波钎焊过程中液态钎料的—填缝及界面润湿行为[刀.材料工程,2012,(1o):14.——XUZhi-wu,YANJiuchun,ZHONGLi,eta1.Fillingandwettingbehaviorsofliquidfillermetalintheprocessofultrasonic—solderingofaluminumalloy[J].JournalofMaterialsEngineer—ing,2012,(10):14.—MCNAMARAWB,DIDENKOYT,SUSLICKKS.Sonolumi——nescencetemperaturesduringmultibubblecavitation[J].Na—ture,1999,401(6755):772775.陈树海,李俐群,陈彦宾.铝/钛异种合金激光钎焊接头界面特性—[J].中国有色金属学报,2008,18(6):991996.————CHENShuhai,LILiqun.CHENYanbin.Interfacecharacter—istieandpropertyofTi/A1dissimilaralloysjointwithlaserweld—ingbrazing[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,—2008,18(6):991996.基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(50905003)—收稿日期:2014一O112;修订日期:2015-11-30通讯作者:李红(1977一),女,副教授,博士,主要从事钎焊及特种连接研究,联系地址:北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学材料科学与工程学院(100124),E-mail:hongli@bjut.edu.en
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