顧鈞豪臺灣大學：材料科學與工程學研究所吳福訓2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/55161摘 要 鈮金屬為耐熱合金的一種，主要作為特殊鋼、超合金以及切削工具的合金元素。鈮合金具有優異的高溫強度、低溫延性及熱傳導性能，極佳的冷加工成型性與銲接性，可製成非常複雜的工件，如火箭推進器及高溫閥等元件，廣泛地運用於航太及核能工業的結構材料。本研究乃以Ti-15Cu-15Ni(wt%) 鈦基合金或BNi-2鎳基合金為硬銲填料，對 Nb-10Hf-1Ti(C-103)合金分別進行同質真空硬銲接合。實驗過程中，觀察接合介面顯微結構及採用單疊式壓剪力試驗，評估不同硬銲變數對接合品質的影響。硬銲變數包括硬銲溫度、持溫時間、基材表面粗糙度、搭疊距離、銲後熱處理等。 實驗結果顯示：兩種填料的硬銲接合強度同樣受到基材表面粗糙度及搭疊距離的影響，以0.59μm Ra的接合效果最好，而搭疊距離以1T(2mm)的接合強度最高，隨搭疊距離的增加剪力強度反而呈下降的現象。TiCuNi填料在Nb-10Hf-1Ti基材具有不錯的潤濕性，EDAX分析得知Cu、Ni元素殘留在接合區內並與Ti形成共晶相。由於基材的熔點溫度很高，其組成元素無法大量擴散進入接合區稀釋Cu、Ni元素，消除共晶組織。硬銲接合區內的顯微結構主要由αTi-Nb合金和Ti2Ni+ Ti2Cu共晶相所組成，共晶相隨溫度及持溫時間的增加而減少，1223 K持溫5分鐘之壓剪力強度可達302MPa。 BNi-2填料與Nb-10Hf-1Ti基材進行1323-1423 K持溫5-20分鐘的硬銲接合，顯微結構亦顯示具有不錯的潤濕性，硬銲時B、Si由填料至基材的擴散為接合介面顯微結構演進的主要控制因素。Nb、Ni、Cr、Fe、Si等元素的分佈，由EPMA分析得知；Cr、Fe、Si聚集於銲道中央並形成硬脆的共晶相，B在接合面兩側附近有異常偏高的現象，由於基材的高熔點溫度，共晶組織亦不易藉由擴散機構消除。而壓剪力強度隨硬銲溫度的增加而升高，例如1423 K持溫10分鐘可達337 MPa。Abstract Niobium is primarily used as an alloying element in spe- cialty steels and superalloys,and also used as a carbide in cutting tools for machinery.Niobium base-alloys have been wide- ly studied over the last forty years,because of its favorable high-temperature strength and good low temperature ductility, increasing its application on using as a structural material for the aerospace industries.Its strengthening characteristics co- mbined with a low neutron-absorption cross-section,also prompt- ed its application in the nuclear industries.This research work presents either the joining of Nb-10Hf-1Ti(C-103)alloys by va- cuum brazing using Ti-15Cu-15Ni(wt%) or BNi-2 foil as a brazing joint alloy.The effects of brazing process parameters(such as brazing temperature,brazing time,surface roughness,over-lap distance and post-welded heat treatment) on the properties of brazed joints had been throughly investigated.Both interfacial microstructures and mechanical properties of the brazed joints had been investigated to evaluate the joint quality. The experi- mental results show that considerable surface roughness and over-lap distance are beneficial to the brazing of Nb-10Hf-1Ti (C-103)alloys.It can be observed that the bonding exhibit good wetting between the TiCuNi filler metal and C-103 base-alloys. The element distributions of Nb,Ti,Cu and Ni were examined by energy dispersive X-ray analysis.It was found that copper and nickel remain in the center of brazed region and form brittle eutectic phases.The microstructure of the brazed joints con- sists mainly of αTi-Nb solid solution and eutectic phase struc- ture.The volume of eutectic phase in the joint region decreased with increasing brazing temperature and time. High joint shear strength (such as 302 MPa) had been obtained when the process was carried out at approximately 1223K for 5 min. The brazing of BNi-2 filler metal and C-103 base-alloys was conducted at the temperature range of 1323-1423K for 5-20 min. The optical and scanning electron microscopic results indicate that a good wetting existed between BNi-2 and C-103 alloys.The diffusion of boron and silicon from brazing filler metal into base-alloys at the brazing temperature is the main controlling factor for the microstructural evolution of the joint interface. The element distributions of Nb,Ni,Cr,Fe,Si and B were examined by EPMA line-scanning analysis.It is found that silicon,iron and chromium remain in the center of brazed region and form brittle eutectic phases,but boron distribution is abnormally high along two sides of the joint as it has readily diffused from brazing filler metal into the base-alloys. Joint shear strengths of as high as about 337MPa are obtained when the brazing was processed at approximately 1423K for 10 min.目錄 摘 要 i Abstract iii 目錄 I 圖目錄 III 表目錄 VII 第一章 前言 1 第二章 文獻探討 4 2.1 真空硬銲接合 4 2.1.1 硬銲的基本原理 4 2.1.1.1表面能與潤溼角 5 2.1.1.2毛細作用 6 2.1.1.3氧化物的去除機構 9 2.1.2真空硬銲的優劣點 9 2.2 鈮合金及其銲接性質 10 2.2.1鈮合金的種類 10 2.2.2鈮合金的物理性質 10 2.2.2.1 格隙雜質元素的溶解度 10 2.2.2.2 擴散係數 11 2.2.3 鈮合金的機械性質 11 2.2.4 鈮合金C-103的應用 12 2.2.5 鈮合金的銲接 12 第三章 實驗方法 18 3.1 實驗步驟流程圖 18 3.2 合金配製與熔煉 18 3.3 接合試片的準備及處理 18 3.4 硬銲填料的選用 18 3.5 真空硬銲處理 21 3.5.1 設備 21 3.5.2 試片接合 21 3.6 接合試片之測試與分析 25 3.6.1表面粗糙度 25 3.6.2 光學金相 25 3.6.3 掃描式電子顯微鏡(SEM) 25 3.6.4 電子微探儀(EPMA) 25 3.6.5 X-ray 繞射分析(XRD) 26 3.7 剪力強度測試 26 3.8 硬度測試 26 第四章 以TiCuNi為硬銲填料之Nb-10Hf -1Ti合金真空硬銲接合研究 29 4.1 TiCuNi鈦基硬銲填料 29 4.2 結果與討論 30 4.2.1 硬銲溫度及持溫時間對接合的影響 30 4.2.1.1 接合介面之顯微結構 30 4.2.1.2 機械性質 42 4.2.2表面粗糙度對接合強度的影響 53 4.2.3搭疊距離對接合強度的影響 55 4.2.4 銲後熱處理對接合的影響 58 4.3 結論 63 第五章 以BNi-2為硬銲填料之Nb-10Hf-1Ti合金真空硬銲接合研究 64 5.1 BNi-2鎳基硬銲填料 64 5.2結果與討論 66 5.2.1硬銲溫度及持溫時間對接合的影響 66 5.2.1.1 接合介面之顯微結構 66 5.2.1.2 機械性質 85 5.2.1.3破裂模式 91 5.2.2表面粗糙度對接合強度的影響 98 5.2.3搭疊距離對接合強度的影響 100 5.2.4 銲後熱處理對接合的影響 102 5.3結論 107 第六章 總結 108 參考文獻 109 圖目錄 編號 頁碼 圖 2.1 液體被覆固體表面的表面能變化。 6 圖 2.2氧、氮、碳和氫等格隙元素在鈮金屬中的熔解度。 14 圖 2.3 添加元素對鈮合金延-脆轉換溫度的影響。 16 圖 2.4 格隙元素對鈮合金延-脆轉換溫度的影響。 16 圖 2.5 鈮合金C-103之高溫膨脹係數。 17 圖 2.6 鈮合金C-103之高溫強度。 17 圖3.1 實驗流程圖。 20 圖3.2 真空硬銲加熱爐。 23 圖3.3 剪力試片接合模具。 24 圖3.4 硬銲後的剪力試片。 24 圖3.5 表面粗糙度值Ra之定義。 27 圖3.6 Yan之剪力測試模具。 28 圖3.7 本實驗使用之單疊式壓剪力試驗模具。 28 圖4.1 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘之加熱、冷卻過程曲線。 34 圖4.2 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之顯微組織。 35 圖4.3 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度1000℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之顯微組織。 36 圖4.4 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度1050℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之顯微組織。 37 圖4.5 Ti-Nb二元相圖。 40 圖4.6 Ti2Cu-Ti2Ni相圖。 40 圖4.7 Ti-Nb-Ni(Cu) 900℃之擬三元相圖。 41 圖4.8 Ti-Ni二元相圖。 41 圖4.9 C103/TiCuNi/C103不同硬銲溫度及持溫時間對剪力強度之變化。 44 圖4.10 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃接合介面之硬度曲線。 45 圖4.11 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度1000℃接合介面之硬度曲線。 46 圖4.12 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之側面破裂金相組織。 47 圖4.13 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之破裂SEM顯微組織。 48 圖4.14 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘破壞面之X光繞射分析。 49 圖4.15 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度1000℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之側面破裂金相組織。 50 圖4.16 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度1000℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之破裂SEM顯微組織。 51 圖4.17 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度1000℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘破壞面之X光繞射分析。 52 圖4.18 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘表面粗糙度對剪力強度之變化。 54 圖4.19 Hastelloy X 基材/BNi-2填料採用AWS單疊式試驗搭疊距離對強度之變化﹝9﹞。 56 圖4.20 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘，搭疊距離對剪力強度之變化。 57 圖4.21 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘後進行850℃熱處理持溫4小時之加熱、冷卻過程曲線。 59 圖4.22 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘後進行850℃及900℃熱處理持溫4小時之剪力強度。 60 圖4.23 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘後進行850℃熱處理持溫4小時之接合介面顯微組織。 61 圖4.24 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘後進行850℃熱處理持溫4小時之接合介面硬度變化曲線。 62 圖5.1 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1050℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之金相組織。 71 圖5.2 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1100℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之金相組織。 72 圖5.3 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之金相組織。 73 圖5.4 以EPMA線掃描分析圖5.1(d)所得之C103/BNi-2/C103硬銲溫度1050℃持溫20分鐘銲道各成份元素之分佈曲線。 74 圖5.5 以EPMA線掃描分析圖5.2(a)所得之C103/BNi-2/C103硬銲溫度1100℃持溫5分鐘銲道各成份元素之分佈曲線。 75 圖5.6 以EPMA線掃描分析圖5.3(b)所得之C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘銲道各成份元素之分佈曲線。 76 圖5.7 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1050℃持溫20分鐘接合介面之SEM顯微組織。 77 圖5.8 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1100℃持溫5分鐘接合介面之SEM顯微組織。 78 圖5.9 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1100℃持溫20分鐘接合介面之SEM顯微組織。 79 圖5.10 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘接合介面之SEM顯微組織。 80 圖5.11 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫20分鐘接合介面之SEM顯微組織。 81 圖5.12 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘接合介面之SEM顯微組織。 82 圖5.13 Nb-Ni二元相圖。 82 圖5.14 Ni-B二元相圖。 83 圖5.15 Nb-B二元相圖。 83 圖5.16 B-Cr-Ni液相投影的三元相圖(原子百分比)。 84 圖5.17 C103/BNi-2/C103於不同硬銲溫度及持溫時間對剪力強度之變化。 87 圖5.18 C103/BNi-2/C103於硬銲溫度1050℃持溫20分鐘接合介面之硬度變化曲線。 88 圖5.19 C103/BNi-2/C103於硬銲溫度1100℃持溫5分鐘接合介面之硬度變化曲線。 89 圖5.20 C103/BNi-2/C103於硬銲溫度1150℃持溫10分鐘接合介面之硬度變化圖。 90 圖5.21 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1100℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之側面破裂金相組織。 92 圖5.22 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1100℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之破裂SEM顯微組織。 93 圖5.23 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1100℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘破壞面之X光繞射分析。 94 圖5.24 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之側面破裂金相組織。 95 圖5.25 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘接合介面之破裂SEM顯微組織。 96 圖5.26 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫(a)5分鐘(b)10分鐘(c)15分鐘(d)20分鐘破壞面之X光繞射分析。 97 圖5.27 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘表面粗糙度對剪力強度之變化。 99 圖5.28 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘搭疊距離對剪力強度之變化。 101 圖5.29 C103/ BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘後進行1000℃熱處理持溫4小時之剪力強度。 103 圖5.30 C103/ BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘後進行1000℃熱處理持溫4小時接合介面之SEM顯微組織。 104 圖5.31 以EPMA線掃描分析圖5.30所得銲道各成份元素之分佈曲線。 105 圖5.32 C103/BNi-2/C103硬銲溫度1150℃持溫10分鐘後進行1000℃熱處理持溫4小時接合介面之側面破裂金相組織。 106 表目錄 編號 頁碼 表1.1 純鈮金屬的物理性質﹝1﹞。 3 表1.2 純鈮金屬的機械性質﹝1﹞。 3 表2.1 鈮合金依強度的大小的分類。 13 表2.2格隙元素在純鈮中的擴散係數。 14 表2.3置換元素在純鈮中的擴散係數。 15 表3.1 熔煉後合金之EPMA及氧氮分析表。 19 表3.2 硬銲填料之成份及其固液相溫度。 19 表3.3 試片表面經不同號數砂紙研磨後之Ra值。 27 表4.1硬銲溫度950℃持溫5分鐘接合介面顯微組織中之各相成份。 38 表4.2 硬銲溫度950℃持溫20分鐘接合介面顯微組織中之各相成份。 38 表4.3 硬銲溫度1000℃持溫5分鐘接合介面顯微組織中之各相成份。 39 表4.4 硬銲溫度1000℃持溫20分鐘接合介面顯微組織中之各相成份。 39 表4.5 C103/TiCuNi/C103硬銲溫度950℃持溫5分鐘後進行850℃熱處理持溫4小時接合介面顯微組織中之各相成份。 61 表5.1 以EPMA定量分析圖5.7接合介面各相之成份。 77 表5.2 以EPMA定量分析圖5.8接合介面各相之成份。 78 表5.3 以EPMA定量分析圖5.9接合介面各相之成份。 79 表5.4 以EPMA定量分析圖5.10接合介面各相之成份。 80 表5.5 以EPMA定量分析圖5.11接合介面各相之成份。 81 表5.6 以EPMA定量分析圖5.30接合介面各相之成份。 10414777928 bytesapplication/pdfen-US真空硬銲鎳基填料鈦基填料鈮合金TiCuNi filler metalNiobium alloysvaccum brazingBNi-2 filler metalthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/55161/1/ntu-94-R91527039-1.pdf