Al-Si过共晶钎料的制备及其对核用SiC陶瓷的焊接研究

唐清秋，张博文，钟志宏

（合肥工业大学 材料科学院与工程学院，安徽 合肥 230009）

Al-Si过共晶钎料的制备及其对核用SiC陶瓷的焊接研究

唐清秋，张博文，钟志宏

（合肥工业大学 材料科学院与工程学院，安徽 合肥 230009）

SiC是核聚变反应堆流道插件及结构材料的优秀候选材料。为了获得大尺寸的SiC部件，通过钎焊方法连接SiC，选择50Al-50Si合金作为钎料，研究50Al-50Si合金钎料的显微组织、力学性能及在真空1100℃×10min条件下对SiC陶瓷的钎焊性能。并在此钎料基体上加入不同含量（2%，6%，10%，14%）的Ti，研究Ti的加入对钎料显微组织性能及SiC陶瓷接头力学性能的影响。结果表明，Al-Si-Ti钎料能完成SiC陶瓷的连接而获得性能优异的接头。在Ti含量增加到6%时，接头剪切强度升高至138.98MPa，随着Ti含量增多，接头剪切强度又下降。

SiC陶瓷；钎焊；Al-Si-Ti钎料；剪切强度

0 前言

SiC陶瓷及其复合材料（Cf/SiC，SiC f/SiC）因自身热膨胀系数小、耐腐蚀性能好、热导率低及高温抗氧化性能优良等特点，成为反应堆包层材料中流道插件的首选材料[1-3]，如图1所示。

SiC陶瓷及其复合材料在核材料领域的应用前景会越来越明朗。而待解决的问题是灵活选择碳化陶瓷的焊接方法，使其在工业应用方面不再局限于简单构件。

图1 实验包层模块

钎焊方法是连接陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属的常用方法。SiC陶瓷及其复合材料的钎焊就是在钎料中加入活性元素（Zr，Hf，Nb，Cr，Ta，V 等)，使加入的活性元素与SiC陶瓷及其复合材料的界面发生反应，增加钎料对界面的润湿性，达到更好的连接效果。常用的钎料一般是Cu基活性钎料、Ag基活性钎料、Ni基活性钎料、Co基活性钎料以及Al基活性钎料。其中，Ag基、Cu基金属钎料塑性较好，但是固相线温度较低，使用温度难超过500℃[4-6]。由于本研究的SiC陶瓷应用环境的特殊性，导致对钎料的要求相对苛刻，它不仅要成功连接SiC陶瓷，还要满足耐高温、低活化等性能。

因此选择Al-Si过共晶合金作为钎料焊接SiC。首先，Al和Si都有较低的中子截面（Al=0.232σa/barns；Si=0.171σa/barns），这就意味着其在辐照情况下没有不良反应；其次，随着合金中Si含量的增加，钎料的热膨胀系数随之减小，钎料的热膨胀系数与SiC陶瓷材料相近[7]。Al-Si过共晶合金钎料在焊接SiC陶瓷时能降低接头应力集中，减少焊接接头气孔裂纹等缺陷，提高接头的强度和稳定性，从而获得较好的焊接接头；而且，Al-Si过共晶合金因为析出初生硅时有大量的结晶潜热释放，所以具有良好的流动性。但是硅含量的增加会凝固温度范围，引起显微组织中出现粗大的板条状初生硅，限制了该合金在工业生产上的应用[8-9]。因此，细化初生硅是使过共晶Al-Si合金具有更广泛使用价值的关键。

采用高硅成分的50Al-50Si过共晶钎料为基体材料，并且为了减少粗大初生Si相，在50Al-50Si基体钎料加入第三种元素Ti（见表1），研究Ti含量的变化对钎料组织及其对SiC/钎料/SiC钎焊接头性能的影响，从而获得优质的SiC用钎焊材料。

表1 Al-Si钎料的化学成分

1 实验

1.1 钎料的制备和钎焊实验设计

合金钎料制备原料为：Al（纯度99.9%）、Si（纯度99.9%）、Ti（纯度99.9%）。在氩气保护用真空熔炼炉中熔炼5次以确保铸锭成分的均匀性。将熔炼好的5种钎料切割成5 mm×5 mm×5 mm的试样，进行打磨抛光处理，并用5%HF（其余为蒸馏水)腐蚀10 s用于金相观察实验。

将SiC切成15 mm×15 mm×3 mm的小样并用金刚石研磨抛光悬浮液抛光待焊面（15mm×15mm）钎料切成15 mm×15 mm×0.2 mm的小样并对两个表面进行打磨抛光用于钎焊实验。以上制得的样品用丙酮进行超声清洗。

钎焊实验在真空度大于10-3Pa条件下，以10℃/min的升温速度升到1 000℃，保温10 min后随炉冷却热循环曲线如图2所示。

图2 钎焊热循环曲线

钎焊后的试样用金刚石线切割机切成如图3所示的2个样品，进行显微组织观察和剪切试验

1.2 性能表征

图3 接头剪切实验的样品示意

用XRD衍射仪检测钎料的成分组成；JSM-6490LV型扫描电子显微镜（SEM）检测钎料的显微组织及剪切后的断口形貌；用背散射扫描SiC/钎料/SiC接头进行扫描，并用背散射下的线扫描检测断面上各元素分布状况。用AG-X plus立式系列电子万能材料试验机检测钎焊接头的剪切强度。

2 结果和讨论

2.1 钎料的组织成分

将50Al-50Si钎料及40Al-50Si-10Ti钎料进行XRD检测，结果如图4所示。这两种钎料均由α-Al和β-Si两相组成，没有反应生成Al-Si金属间化合物，而加入Ti后的钎料中产生了TiSi2相。

图4 钎料的XRD图像

5种钎料（50-x）Al-50Si-xTi（x=0，2，6，10，14）的SEM图如图5所示。图5a是50Al-50Si钎料的微观组织图像，可以看出该钎料组织由板条状初生β-Si相（黑色区域）和围绕着初生Si相的（Al+Si）共晶组织组成；图 5b、5c、5d、5e分别为加入 2%，6%，10%，14%的Ti元素之后的钎料的微观组织图像，这4种钎料中除了初生Si相和（Al+Si）共晶组织之外还生成了小块状的TiSi2相，该相主要以两种形式存在于组织中：一种是在共晶组织中；另一种是嵌在初生Si中。而且随着加入Ti含量的增多，TiSi2相的数量逐渐增多，不仅打碎了粗大的初生硅而且消耗了钎料中的Si含量，彻底使得组织变得均匀，并且TiSi2相的存在还增加了钎料的耐蚀性和高温抗氧化性能[10-11]。

2.2 Al-Si钎料对于SiC的钎焊实验

2.2.1（50-x）Al-50Si-xTi（x=0，2，6，10，14）钎料钎焊SiC接头组织结构分析

对SiC母材和（50-x）Al-50Si-xTi（x=0，2，6，10，14）钎料进行钎焊实验后的接头进行宏观观察。用5种钎料钎焊SiC获得的接头外观良好、成形美观，钎料流动性较好能够填满焊缝，焊缝平直且焊缝中钎料分布均匀连续，无未焊透等肉眼可观察到的缺陷。

由图6a可知，在不加Ti元素的Al-Si合金作为钎料焊接SiC陶瓷获得的接头中，焊缝主要由Al相及Si相这两相组成；由图6b～6e可知，在Al-Si钎料中加入不同含量的Ti元素后，获得的钎焊接头组织中除了Al相及Si相外，还生成了亮白色的第三种相即TiSi2相。当钎料中不含Ti元素时，钎料与SiC之间仅发生反应：4Al（l）+3SiC（s）→Al4C3（s）+3[Si][12-13]。而当钎料中加入Ti元素后，钎料和SiC之间还发生了有限的界面反应：Ti+SiC→TiC+Si[14]。因为钎料中的Ti是以化合态的形式存在，化学活性较低[15]，使得钎料与SiC反应速度减慢，在实验温度和反应时间条件下没有形成明显的中间层。但是这种有限的化学反应可以使两者之间产生牢固的反应结合。因此，钎料中Ti元素的加入能使得接头连接力更强，钎料与母材结合得更好。最后，钎料中的Si对SiC陶瓷具有良好的化学亲和性，也能够促进钎料对SiC的润湿。图中灰色的线为接头线扫描，对应右侧的SiC/Al-Si钎料/SiC钎焊焊缝的线扫描，由线扫描图像可以看出Al、Si、Ti三种元素在不同区域不同相中含量的变化，从而判断出该相组成。

2.2.2（50-x）Al-50Si-xTi（x=0，2，6，10，14）钎料钎焊SiC接头剪切性能

表2是在钎料中加入不同含量的Ti元素后SiC/钎料/SiC钎焊接头的剪切强度。可以看出，Al-Si-Ti接头剪切强度明显高于Al-Si接头的，加入Ti后的钎料中形成的TiSi2能减少初生Si相、强化钎料性能，并且钎料中的Ti能与母材SiC发生有限的界面反应生成Ti5Si3和TiC界面反应物[16]，进一步强化接头界面的结合。因此加入Ti后的钎料焊接SiC陶瓷获得的钎焊接头剪切强度高于没加Ti时的。其次，当加入Ti含量为2%时，剪切强度相比没加Ti时增加了87%，但是随着Ti含量的增多，接头剪切强度又出现下降趋势，在Ti含量为10%时，因为加入的Ti增多，组织中的TiSi2数量和尺寸都增加，并且在钎焊温度下TiSi2组织中出现了裂纹，成为剪切时的强度削弱相。因此，在Al-Si钎料中加入Ti元素时，要控制好Ti元素的加入量（2%～6%），从而获得强度最高的SiC接头。

图5 5种钎料的SEM图像

图6 SiC/Al-Si钎料/SiC钎焊接头的背散射图像及焊缝线扫描

不同Ti含量的接头断口形貌如图7所示。断口形貌中呈平齐黑色的Si相小片状区域，出现了穿晶断裂，属于脆性断裂，此处钎焊接头强度较低。其次，在断口中也出现了大片的韧窝组织，在施加外加载荷时该组织能阻碍裂纹扩展，需施加更大的应力才能使裂纹继续扩展。而该韧窝组织出现的原因主要是接头在外力作用下产生了位错，位错运动遇到硬度高、强度大的Si颗粒时，位错绕过Si颗粒且留下位错环，在继续施加外力时位错环堆积在Si颗粒的外围并产生了应力集中，当外加应力超过Si颗粒与Al的结合强度时，两者结合的界面就产生裂纹源。萌生的裂纹使周围的Al相发生变形而同时初生Si又能作为增强相阻碍裂纹的扩展，从而增加接头连接的强度，呈现出韧性断裂的方式。因此主要断裂方式为：（1）当载荷作用于接头时，裂纹首先产生在初生Si内部，在应力作用下迅速扩展，当裂纹扩展铝基体时产生铝相断裂；（2）裂纹产生在初生Si相和铝基体的界面，因为界面结合及微观组织缺陷等原因裂纹在此处优先扩展。其次，在加入Ti元素后形成的TiSi2相分布在接头组织中，在裂纹扩展过程中也能阻止裂纹扩展从而增加接头强度；而加入的T元素过多时，Al元素的降低也减少了断口中的韧窝组织，从而增加裂纹扩展速度。而且TiSi2相体积较大，本身就有微裂纹生成则可能成为裂纹产生的第三种原因。总之，这几种接头的组织均由脆性及韧性两种断裂方式组成。

表2 不同Ti含量的接头剪切强度

图7 不同Ti含量的接头断口的SEM形貌

3 结论

实验选用50Al-50Si钎料来焊接SiC陶瓷，并且通过该Al-Si合金中加入不同含量的Ti元素来改善Al-Si钎料合金的性能，完成SiC陶瓷的钎焊连接，研究Ti元素的加入对接头性能的影响，并获得最佳的Ti元素加入量，得出以下主要结论：

（1）观察（50-x）Al-50Si-xTi（x=0，2，6，10，14）钎料合金的微观组织，可以看出50Al-50Si合金主要由初生Si及（Al+Si）的共晶组织组成，而加入Ti元素后的Al-Si合金中出现了TiSi2相，该相主要以两种方式存在：一种是在共晶相中，一种是嵌在初生Si组织中。该相的生成减少了初生Si的尺寸和数量，使得组织更加均匀。其次通过测定5种钎料的压缩性能，发现当Ti元素的加入量大于2%时，钎料的压缩强度逐渐升高，说明组织中形成的TiSi2相提高了钎料的力学性能。

（2）通过SiC钎焊实验可知，5种钎料焊接SiC均能获得连接良好的接头。研究（50-x）Al-50Si-xTi（x=0，2，6，10，14）钎料/SiC 接头性能发现，加入 Ti元素后接头的剪切强度均高于不加Ti元素时，并且Ti的加入量为6%时接头的剪切强度最高，达到138.98 MPa。

（3）由SiC/（50-x）Al-50Si-xTi（x=0，2，6，10，14）钎料/SiC接头剪切断口形貌可以看出，断裂方式均由脆性及韧性两种断裂方式组成。

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Preparation of Al-Si hyper-eutectic solder and its weldability for nuclear SiC ceramic

TANG Qingqiu，ZHANG Bowen，ZHONG Zhihong
（School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

SiC is an excellent candidate material for flow channel insert and structural material in a nuclear fusion reactor.In order to obtain large-size SiC component，soldering is used to join SiC and 50%Al-50%Si alloy is taken as the solder.The microstructure，mechanical property of 50%Al-50%Si alloy solder，and its soldering property for SiC ceramic in the condition of vacuum 1 100 ℃ × 10 min are studied.The different amount of Ti(2%，6%，10%，14%)are added in 50%Al-50%Si high temperature hyper-eutectic alloy to research the effect of Ti on the microstructure of solder and the mechanical property of welded joints of the SiC ceramic.The results show that SiC ceramic can be soldered with Al-Si-Ti alloys and the joints with excellent property can be obtained.The shear strength of SiC joints enhances to 138.98 MPa when the amount of Ti increases to 6%，while the shear strength reduces as the amount of Ti improves.

SiC ceramic；soldering；Al-Si-Ti solder；shear strength

TG425

A

1001－2303（2017）06－0113-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.25

2017-03-17

国家磁约束核聚变能发展研究专项（2015GB121003）

唐清秋（1991—），女，在读硕士，主要从事陶瓷连接的研究。E-mail：15955112724@163.com。

本文参考文献引用格式：唐清秋，张博文，钟志宏.Al-Si过共晶钎料的制备及其对核用SiC陶瓷的焊接研究[J].电焊机，2017，47（06）：113-119.