Al_2O_3_Cu_Sn_Ti_
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孙艳荣等：模板剂对共沉淀法合成纳米羟基磷灰石粉体形貌的影响· 95 ·第40卷第1期Al2O3/Cu–Sn–Ti+B钎料/Ti-6Al-4V合金连接的微观结构及力学性能杨敏旋1，林铁松1,2，甄公博1，何鹏1(1. 哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室；2. 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001 )摘要：在Cu–21Sn–12Ti钎料中添加不同质量分数的B粉制备Cu–Sn–Ti+B复合钎料，然后在钎焊温度910℃保温10min条件下钎焊Al2O3与Ti-6Al-4V合金。
研究了原位生成TiB对Al2O3/Ti-6Al-4V合金接头微观结构及力学性能的影响。
接头中原位生成的TiB呈晶须状均匀分布在Ti2Cu上，当采用TiB体积分数低于40%的钎料钎焊Al2O3与Ti-6Al-4V合金时，均可获得连接良好且界面致密的钎焊接头。
随接头中TiB的体积分数增加，Ⅱ区中的Ti2(Cu,Al)含量增加，并逐渐变得连续，TiB的分布区Ⅲ范围增宽，Ti-6Al-4V合金向钎料中的溶解量增加。
接头的室温抗剪强度随TiB的体积分数增加先上升后下降，当接头中TiB体积分数增至20%时，接头抗剪强度达最大，为70.1MPa。
关键词：氧化铝；钛合金；真空钎焊；界面结构；抗剪强度中图分类号：TG454 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2012)01–0095–06网络出版时间：2011–12–29 19:07:42 DOI：CNKI:11-2310/TQ.20111229.1907.015网络出版地址：/kcms/detail/11.2310.TQ.20111229.1907.015.htmlMicrostructure and Properties of Al2O3/CuSnTi+B/Ti-6Al-4V Alloy JointYANG Minxuan1，LIN Tiesong1,2，ZHEN Gongbo1，HE Peng1(1. State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001;2. Department of Electronics Packaging Technology, School of Materials Science and Engineering, HarbinInstitute of Technology, Harbin 150001: China)Abstract: Al2O3 and Ti-6Al-4V alloy was brazed at brazing temperature of 910℃and holding time of 10min using Cu–Sn–Ti+B composite brazing filler metal, which was fabricated by adding B powder to Cu–21Sn–12Ti at different mass fractions. The effect of TiB whiskers synthesized in situ on the microstructure and mechanical properties of Al2O3/Ti-6Al-4V alloy joint was investigated. The TiB whiskers synthesized in situ during brazing were distributed evenly in Ti2Cu. The fine and compact joints of Al2O3/Ti-6Al-4V alloy could be obtained when the volume fraction of TiB was <40% in joint, Ti2(Cu, Al) intermetallics in zoneⅡof joint accordingly increased, their distribution became continuous, the distribution area of TiB, i.e. zoneⅢbecame wider and the dis-solved Ti, Al elements from Ti-6Al-4V alloy into filler metal increased with increasing the amount of TiB. The shear strength of joints at room temperature increased and then decreased with the increase of TiB. The shear strength of joint reached the maximum value of 70.1MPa at the amount of TiB of 20%(in volume).Key words: alumina; titanium alloy; vacuum-brazing; shear strength陶瓷材料具有高的强度和耐高温、耐腐蚀等特点而广泛应用于航天、航空、汽车等领域，但其塑韧性差，冷加工困难等缺陷又限制了其应用范围[1]。
相对陶瓷而言，金属则具有塑韧性好的特点，但其耐磨性与耐腐蚀性却不佳。
因此将陶瓷与金属可靠连接，对扩展两种材料的应用领域具有重要意义。
目前陶瓷连接的方法主要采用活性钎焊来改善钎料对陶瓷表面的润湿性能，所用活性钎料以Ag–Cu–Ti收稿日期：2011–06–29。
修订日期：2011–07–26。
基金项目：国家自然科学基金(50975062，51105107，51021002)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(HIT.BRET1.2010006，HIT.NSRIF.2010119)；浙江省钎焊材料与技术重点实验室开放基金(0901)；中国国家博士后基金(AUGA4130902510)项目资助。
第一作者：杨敏旋(1985—)，女，博士研究生。
通信作者：何鹏(1972—)，男，博士，教授。
Received date:2011–06–29. Revised date: 2011–07–26. First author: YANG Minxuan (1985–), female, doctoral candidate. E-mail: yangminxuan1@Correspondent author: HE Peng (1972–), male, Ph.D., professor. E-mail: hithepeng@第40卷第1期2012年1月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 40，No. 1January，2012硅酸盐学报· 96 ·2012年为主[2–4]，但高含银量提高了钎焊成本。
Cu–Sn–Ti 钎料由于性能与Ag–Cu–Ti钎料接近，成本远低于Ag–Cu–Ti钎料而备受关注[5–8]。
Hsieh等[6]用Cu–Sn–Ti三元合金钎焊金刚石，并模拟该钎料对石墨润湿过程，分析850～1000℃之间钎缝形成过程的相演变。
张志伟等[9]采用Cu–Sn–Ti钎料钎焊立方氮化硼磨粒与钢基体，并实现CBN与钢基体牢固连接。
而关于陶瓷与钎缝之间因热膨胀系数、弹性模量等差异引起的接头应力大，强度低，目前常通过在活性钎料中添加高弹性模量、低热膨胀系数的硬金属颗粒、陶瓷颗粒及纤维等来调节钎缝的热膨胀系数，减缓接头的残余应力[4,10–11]。
但这些添加相易在接头中产生偏聚、且存在与基体不易润湿和界面不易控制等问题，使其调节接头残余应力的作用有所减弱，从而不能有效提高接头质量。
实验所用Cu–Sn–Ti–B钎料，在不降低对陶瓷表面润湿能力的前提下，不仅降低了钎焊成本，而且在钎焊过程中原位自生的TiB晶须与钎缝基体相容性好，尺寸小且可控，还具有分布均匀的优点。
内生于钎缝中的TiB因具有高弹性模量、低热膨胀系数的特点，从而可有效调节金属与陶瓷间的热失配，缓解钎缝与陶瓷母材间的热应力。
此外TiB晶须相比于其它陶瓷颗粒而言，热稳定性较高，长径比较大，在增强相含量相对较低的条件下即可大幅提高接头强度。
通过分析在钎焊过程中生成不同TiB含量后对Al2O3/Ti-6Al-4V合金钎焊接头界面组织及力学性能的影响，揭示Al2O3/Ti-6Al-4V钎焊接头界面结构的演变过程，探讨钎料Cu–Sn– Ti+B 对陶瓷与金属连接的可行性。
1 实验实验前将Al2O3含量为95%的氧化铝陶瓷用金刚石内圆切割机切割成5mm×5mm×3mm的组织观察样品和4mm×4mm×3mm的力学性能测试样品。
将Ti-6Al-4V合金用电火花线切割制成10mm×8mm×1.5mm试件，被焊表面用800号水砂纸去除氧化膜，然后将所有试件放入丙酮中超声清洗30 min去油去脂。
通过向质量比为67Cu–21Sn–12Ti 钎料(由纯度99.5%，粒径50μm的Cu、Sn、Ti粉配制) 中添加不同含量，纯度为95%，粒径为5μm 的B粉后，配置了5组不同成分的实验用复合钎料，其中B的添加量在理论上可使接头在钎焊过程生成体积分数分别为0、10%、20%、30%、40%的TiB 晶须。
最后将所配制的复合钎料在氩气气氛下球磨300min，球磨速率为300r/min。
图1为可使接头中生成20%TiB的复合钎料形貌。
将制备的复合钎料用黏结剂混成膏状，涂于两母材间，然后将装配好的样品放入真空炉内，运行真空炉加热程序。
炉内温度先以10℃/min升至910℃，保温10min，随后以5℃/min降至400℃，随炉冷却至室温，炉内真空度小于3×10–4 Pa。
图1 掺体积分数20%TiB的Cu–Sn–Ti+B钎料形貌Fig. 1 Micrograph of Cu–Sn–Ti+B composite filler with 20% (in volume) TiB采用日本日立公司Hitatchi S-4700型扫描电子显微镜和能谱观察分析接头界面组织。
采用日本理光D/max-rB型X射线衍射仪通过层层剥离法测定接头的相组成，其中衍射条件为电压40kV，电流60mA，使用Cu Kα，衍射角(2θ)范围为20°～100°。
