YG8/GH4169 異種材料釬焊接頭殘余應力的數值模擬

喬瑞林，龍偉民，秦建,2，廖志謙，樊喜剛，魏永強

(1.鄭州機械研究所有限公司,新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，鄭州,450001；2.北京科技大學,北京,100083；3.洛陽船舶材料研究所,洛陽,471039；4.北京星航機電裝備有限公司,北京,100074；5.鄭州航空工業管理學院,鄭州,450046)

0 序言

自二十世紀以來，隨著地球上資源危機問題的不斷加重，各國為爭取豐富的地外資源，展開了頻繁的探月活動，月球探測工程的主要任務是月球土壤的采樣和返回，而鉆探采樣技術是實現月球土壤樣本采集的首選方法[1].月球上存在深冷、高真空、高輻射、微重力等極端服役環境，特別是硬質合金與鋼基體在極端環境下對鉆采工具的性能提出了更高的要求.GH4169 高溫合金在?253～ 650 ℃下都具有良好的綜合性能，具有優異的耐腐蝕、抗輻射、抗疲勞等特性.實現硬質合金與高溫合金的釬焊連接，不僅可以獲得高強度、高硬度、高耐磨性的鉆采工具，還可以滿足月球上極端服役環境下的需求.然而，異種材料間的熱物性差異較大，高溫合金的熱膨脹系數為硬質合金的數倍，在高溫和快速的加熱/冷卻過程中，硬質合金/高溫合金異種接頭中會產生極大的殘余應力，導致裂紋擴展嚴重，接頭斷裂[2]，因此，研究硬質合金與高溫合金釬焊接頭殘余應力的大小及分布情況，討論緩解接頭殘余應力的方法具有重要的工程價值和研究意義.

關于硬質合金釬焊連接的研究目前主要集中在硬質合金與常見鋼材，如45 鋼、A3 鋼、40Cr 鋼、42CrMo 鋼、16Mn 鋼等[3-7]，對于硬質合金與高溫合金釬焊連接的研究較少.Wang 等人[8]通過真空釬焊技術制備了YG8 硬質合金/GH4169高溫合金接頭，對接頭斷口形貌等特征的分析發現，由于異種材料間熱膨脹系數的顯著差異，接頭中存在較大的殘余熱應力，容易產生裂紋而發生脆性斷裂，但對于接頭中殘余應力的分布情況及緩解殘余應力的方法并未進一步研究.硬質合金作為一種金屬陶瓷，與陶瓷具有類似的熱膨脹系數和力學性能，在陶瓷與高溫合金釬焊殘余應力的研究當中，Li 等人[9]在Mo 中間層的輔助下，實現了碳纖維增強的SiC 陶瓷基復合材料Cf/SiC 與GH783 高溫合金的可靠連接，試驗以Mo 作為硬質中間層材料，有效釋放了異種接頭內部的殘余熱應力，提高了接頭強度，但對于不同中間層材料及厚度對接頭殘余應力的影響規律，并未深入研究.

為降低異種材料釬焊過程中的殘余應力，實現硬質合金與高溫合金的有效連接，滿足深冷等極端使役環境下對鉆采工具的強度要求，通過ANSYS有限元軟件，利用熱-彈-塑性有限元計算方法，模擬釬焊接頭的溫度場和應力場，分析了硬質合金/高溫合金釬焊接頭殘余應力的分布情況，揭示了不同中間層材料及厚度對接頭殘余應力的影響規律，并通過釬焊試驗與X 射線衍射儀分析接頭殘余應力，驗證有限元模型的可靠性，為實際工程中的釬焊試驗提供相應的理論指導.

1 試驗方法

試驗選用母材為YG8 硬質合金與GH4169 高溫合金，YG8 硬質合金具有極高的硬度與強度，硬質合金產自株洲硬質合金集團有限公司；GH4169為沉淀強化型鎳基高溫合金，在?253～ 650 ℃之間具有優異的強度、塑性以及耐腐蝕性能，試驗用GH4169 高溫合金產自寶鋼集團有限公司，兩種母材的化學成分見表1.利用電火花線切割機將兩種母材切割成10 mm × 10 mm × 10 mm 的立方體，釬料選擇原位合成工藝[10-12]制備的具有優異低溫性能的自研AgCuNiMn 釬料，厚度為0.2 mm，熔點為750～ 780 ℃，圖1 為釬焊接頭結構示意圖.試驗在高真空釬焊爐中進行，極限真空度為7 × 10?4Pa，將YG8/AgCuNiMn/GH4169 釬焊接頭加熱到890 ℃后隨爐冷卻至室溫.

圖1 釬焊接頭結構示意圖Fig.1 Structure diagram of brazed joints

表1 試驗用母材化學成分 (質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of base materials for testing

2 有限元模型

基于ANSYS 有限元軟件建立釬焊接頭三維非線性有限元模擬，采用熱-力順序耦合進行有限元分析，即先進行溫度計算，然后將溫度場的計算結果以熱載荷的形式加載到應力有限元計算模型中，進行應力求解.真空釬焊包含升溫、保溫、降溫3 個階段，通常認為在均勻升溫和高溫保溫的過程中，材料處于自由階段熱應力可以忽略，殘余應力主要產生在降溫階段，故只考慮釬料凝固后冷卻過程中產生的釬焊殘余應力[13]，由于試件結構尺寸小、冷卻速度慢，假設整個試件在冷卻的過程中溫度均勻.釬料熔點為750～ 780 ℃，選取770 ℃為零應力參考溫度，環境溫度設置為20 ℃.此外，由于焊縫及其附近的母材殘余應力變化梯度較大，為減少計算量，節約時間，模型對焊縫及靠近焊縫的母材附近進行了網格加密處理，而在遠離焊縫的區域，網格劃分的相對較稀，圖2 為有限元模型網格劃分圖.

圖2 有限元模型網格劃分圖Fig.2 Mesh division diagram of finite element model

高溫合金下表面(xOy平面)位于固定支座上，不產生z方向上的位移，因此對下表面上的節點施加z方向上的位移約束.此外，由于模型的中心軸是一條經過上下表面中心點的直線，在釬焊過程中無論是溫度變化還是界面反應都不會引起中心軸在x和y方向上發生位移，因此為避免模型在模擬過程中出現剛性位移，對這條直線上的硬質合金上表面中心節點和高溫合金下表面中心節點，施加x，y方向上的位移約束.

試驗中考慮了溫度對材料的彈性模量、熱膨脹系數、屈服強度和泊松比的影響，硬質合金、高溫合金、Ag 釬料及相應中間層材料的性能參數隨溫度的變化情況如圖3 所示[14-19].此外，大量研究證實軸向殘余應力是造成結構破壞的主要因素[20]，因此重點討論了軸向殘余應力的變化及分布特征.

圖3 材料參數隨溫度的變化情況[14-19]Fig.3 Change of material parameters with temperature.(a) elastic modulus;(b) coefficient of thermal expansion;(c)yield stress;(d) poisson's ratio

3 模擬結果及分析

3.1 無中間層時釬焊接頭殘余應力的分布情況

圖4 為硬質合金/高溫合金釬焊接頭在無中間層時軸向殘余應力σ的分布.硬質合金一側主要承受拉應力，最大軸向殘余應力位于硬質合金靠近焊縫的頂點附近，距離焊縫約為0.4 mm，大小約為1 304 MPa，此位置是硬質合金基體在承受外力加載時最薄弱的區域，使硬質合金在受到遠低于材料屈服點的外力作用時，就發生脆性斷裂.文獻[21]研究了Si3N4陶瓷與42CrMo 鋼釬焊接頭的應力分布情況，最大軸向拉應力同樣位于距離釬縫約0.3 mm左右的陶瓷側棱角處，導致裂紋在此萌生，并沿近釬縫區的應力集中帶進行擴展.高溫合金一側主要承受壓應力，且相較于硬質合金其應力更小，主要原因是因為金屬材料具有良好的塑性，可以通過塑性變形來緩解應力集中，而硬質合金屬于脆性材料，在外力作用下僅能產生很小的變形，緩解殘余應力的能力十分有限.

圖4 無中間層時釬焊接頭軸向殘余應力的分布Fig.4 Distribution of axial residual stress in brazed joints without interlayers

3.2 不同中間層材料及厚度對釬焊接頭殘余應力的影響

在降低擴散焊或釬焊接頭殘余應力的多種方法中，綜合降應力效果、工藝復雜程度、適應性等因素，中間層法最具實用性[22].利用中間層法，選擇合適的中間層材料及參數，加入到硬質合金/高溫合金釬焊接頭中，可有效降低殘余應力，提高接頭強度.試驗選用了兩種不同的中間層材料，分別是塑性好、屈服強度低的軟質中間層Cu，以及彈性模量大、線膨脹系數小的硬質中間層Mo，為了研究這兩種中間層材料及其厚度對硬質合金/高溫合金釬焊接頭軸向殘余應力的大小和分布所產生的影響.

添加不同中間層時釬焊接頭軸向殘余應力的分布，如圖5 所示.選用軟質中間層Cu 和硬質中間層Mo 時，均能有效降低釬焊接頭的軸向殘余應力，Cu 中間層的厚度變化，并未引起接頭殘余應力的分布情況發生明顯改變，硬質合金一側為拉應力，高溫合金一側為壓應力，無論是0.2 mm 還是1.2 mm 的Cu 中間層，接頭最大軸向殘余應力均出現在硬質合金靠近焊縫的頂點附近；而當Mo 中間層從0.2 mm 變為1.2 mm 時，接頭最大軸向殘余應力的位置，由硬質合金區域變為Mo 中間層靠近高溫合金的焊縫區域，硬質中間層Mo 的加入，使接頭中最大殘余應力的位置從硬質合金轉移到了Mo 中間層，從而降低了釬焊體系中最脆弱區域的殘余應力，有效提高了接頭強度.

圖5 添加不同中間層時釬焊接頭軸向殘余應力的分布Fig.5 Distribution of axial residual stress in brazed joints with different interlayer added.(a) Cu 0.2 mm;(b) Mo 0.2 mm;(c) Cu 1.2 mm;(b) Mo 1.2 mm

圖6 為選用Cu，Mo 中間層時，中間層厚度大小對接頭最大軸向殘余應力的影響.使用Cu，Mo 中間層時，緩解接頭殘余應力的效果與厚度的關系基本相同，最佳厚度約為1 mm.當中間層小于1 mm 時，隨著厚度的增加，接頭最大軸向殘余應力逐漸降低，添加Cu，Mo 中間層的釬焊接頭應力極值所取位置均為硬質合金靠近焊縫的頂點附近；當中間層厚度為1 mm，添加Cu 中間層時，接頭最大軸向殘余應力從1 304 MPa 降低到了908 MPa，添加Mo 中間層時，接頭最大軸向殘余應力從1 304 MPa 降低到了833 MPa；當厚度超過1 mm，兩種中間層材料對接頭殘余應力的緩解效果均有所減弱，并且添加Mo 箔的釬焊接頭，其最大殘余應力位置由硬質合金轉移到了Mo 中間層.此外，可以看出當中間層厚度小于0.6 mm 時，Cu 對于接頭殘余應力的緩解效果更好，厚度大于0.6 mm時，Mo 的緩解效果更佳.

圖6 中間層厚度對接頭最大軸向殘余應力的影響Fig.6 The effect of interlayers thickness on the maximum axial residual stress of joints

以添加不同中間層材料及厚度的釬焊接頭硬質合金危險區域為研究對象，進一步分析中間層對接頭軸向殘余應力的影響規律，如圖7 所示.在硬質合金棱邊靠近焊縫的1 mm 區域內，添加不同中間層材料及厚度的釬焊接頭，其殘余應力分布規律完全相同，均呈現先快速升高再緩慢降低的趨勢，殘余應力的大小有明顯變化，隨著中間層厚度的增加，軟質中間層Cu 緩解殘余應力的效果逐漸減弱，而硬質中間層Mo 的緩解效果越來越好，這與圖6中添加不同中間層對接頭最大軸向殘余應力的影響規律相同.

圖7 添加不同中間層時釬焊接頭危險區域的軸向殘余應力變化曲線Fig.7 Axial residual stress variation curve in hazardous areas of brazed joints with different interlayers added.(a) 0.2 mm;(b) 0.6 mm;(c) 1.0 mm;(d) 1.4 mm

綜上所述，通過對接頭殘余應力的有限元模擬可知，在真空釬焊YG8/AgCuNiMn/GH4169 接頭時，由于母材間熱膨脹系數等熱物性參數差異較大，極易在硬質合金一側出現應力集中現象，使硬質合金靠近焊縫面的頂點附近成為危險區域，接頭殘余應力峰值達到了1 304 MPa；添加軟質中間層Cu 和硬質中間層Mo 均能有效緩解殘余應力，提高接頭強度，且在生產精密儀器等對焊縫間隙有要求的部件時，可選擇使用Cu 中間層來緩解殘余應力，而在生產大型工業器械時，選擇大厚度的Mo 作為中間層材料緩解殘余應力的效果會更好.

4 試驗驗證

4.1 釬焊試驗驗證

釬焊接頭中硬質合金的強度與焊后殘余應力之間存在如下關系，即

式中：σL為硬質合金焊后拉伸強度；σS為硬質合金原始抗拉強度；σZ為軸向殘余應力.因此，通過有限元模擬的結果可知，在硬質合金靠近焊縫的危險區域強度下降最大，最有可能發生斷裂現象.在實際釬焊試驗中，進行硬質合金與高溫合金釬焊接頭拉伸性能試驗時，大量出現硬質合金母材側斷裂的情況.圖8 是硬質合金/高溫合金釬焊接頭典型斷口宏觀形貌圖和SEM 圖.由圖8(a) 可知，釬焊接頭拉伸試樣在硬質合金一側發生斷裂，斷口較為平整，呈現典型的脆性斷裂特征.通過圖8(b)所示的接頭微觀組織形貌可以進一步看出，釬焊過程中釬料與母材之間發生良好的冶金反應，斷裂發生在YG8 硬質合金一側.主要原因是因為兩種母材間熱膨脹系數相差過大，在降溫過程中各部分變形不一致，產生極大的殘余應力，在遠離焊縫的區域，母材的收縮不受約束，對應的殘余應力較小，但在靠近焊縫的區域，金屬材料的收縮受到硬質合金的約束而相對較小，容易引起應力集中，故而當受到外部加載時，斷裂在此處發生，釬焊試樣的斷口位置與模擬結果基本吻合.

圖8 斷口宏觀形貌和YG8/GH4169 釬焊接頭SEM圖Fig.8 Macroscopic morphology of fracture surface and YG8/GH4169 SEM image of brazed joints.(a)macroscopic morphology of fracture surface;(b)YG8/GH4169 SEM image of brazed joints

4.2 X 射線衍射法

為進一步驗證有限元模型的可靠性，利用X 射線衍射儀對釬焊接頭進行非破壞性殘余應力測量，得到母材表面的殘余應力.殘余應力檢測設備為Proto 公司生產的大功率X 射線衍射殘余應力分析儀，選用的靶材為Mn，衍射晶面{311}，光斑直徑為1 mm，應力測量節點如圖9 所示.

圖9 殘余應力測試節點(mm)Fig.9 Residual stress testing nodes

利用X 射線衍射法測得的節點軸向殘余應力與有限元模擬結果對比如圖10 所示.可以看出，測試結果與模擬結果的殘余應力曲線走向基本吻合，驗證了有限元模型的可靠性，殘余應力誤差范圍在100 MPa 以內，其原因可能是因為有限元模擬時，未考慮釬焊接頭的初始殘余應力、釬料與母材之間的界面反應，以及X 射線衍射法的測量誤差等因素.

圖10 測試結果與數值模擬結果對比Fig.10 Comparison between test results and simulation results

5 結論

(1) YG8/AgCuNiMn/GH4169 釬焊接頭中存在極大的殘余應力，硬質合金靠近焊縫的頂點附近為應力集中的危險區域，最大應力約為1 304 MPa.

(2) 采用Cu，Mo 中間層時均能有效緩解釬焊接頭殘余應力，并且當中間層厚度小于0.6 mm 時，Cu 對接頭殘余應力的緩解效果更好，中間層厚度大于0.6 mm 時，Mo 的緩解效果更佳.

(3) Cu，Mo 作為中間層時，最佳厚度均為1.0 mm 左右，此時Cu 中間層使接頭最大軸向殘余應力從1 304 MPa 降低到908 MPa，Mo 中間層使接頭最大軸向殘余應力從1 304 MPa 降低到833 MPa.