BNi-2钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头在盐雾环境下的微观组织演变与性能退化机理研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructure, corrosion behavior and mechanical properties of 1Cr18Ni9Ti 1 stainless-steel joints brazed with BNi-2 filler metal

本研究针对航空航天等领域精密部件对高可靠连接接头的需求，探讨了采用BNi-2钎料真空钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢时，保温时间对接头组织性能及耐蚀性的影响。研究发现，延长保温时间至60分钟可有效抑制有害Cr-硼化物析出，促进形成均匀镍基固溶体，使接头在盐雾腐蚀后仍能保持优异的力学性能（抗拉强度505 MPa，伸长率11.2%），显著提升了接头在苛刻环境下的服役可靠性。

　　

在航空航天、核能以及化工等高端装备制造领域，1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性能、高温力学性能和蠕变强度而备受青睐。这些关键部件，如发动机管路、喷射器和燃烧室，常常采用焊接结构，这就要求连接接头不仅具备高的机械强度，还要有出色的热稳定性和在恶劣环境下的长期耐久性。然而，传统的焊接技术在处理这类高合金钢时，容易导致碳、铌、钛等元素在晶界偏聚，形成铬的碳化物，引起晶界附近铬贫化，从而显著增加接头在服役环境中发生晶间腐蚀的敏感性，埋下安全隐患。

为了解决这一难题，真空钎焊技术脱颖而出。与传统焊接相比，真空钎焊的加热温度远低于母材熔点，能够实现整体均匀加热，从而有效减小应力和变形，尤其适合于制造尺寸要求精密的零部件。其中，镍基钎料BNi-2（BNi82CrSiB）因其含有硅（Si）和硼（B）等降熔元素，能有效降低工艺温度，改善润湿性和铺展性，成为连接不锈钢的常用选择。但BNi-2钎料在钎焊过程中也存在挑战：硼原子半径小，扩散速度快，易与母材中的铬（Cr）元素反应形成各种铬的硼化物（如CrB, Cr₂B等）。这些硬而脆的金属间化合物的形成，不仅可能降低接头的力学性能，更关键的是，它们会消耗周围的铬，造成局部铬贫化区。当铬含量低于约13 wt.%（重量百分比）时，材料形成保护性钝化膜的能力会严重下降，从而极大地损害接头的耐腐蚀性能。因此，如何通过精确控制钎焊工艺参数，特别是保温时间，来抑制有害相的析出，优化接头微观结构，从而同时获得优异的力学性能和耐腐蚀性能，成为了研究人员和工程技术人员关注的焦点。

为了回答上述问题，来自哈尔滨工业大学（深圳）特殊环境物质科学研究所的王晓亚等研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一项研究，系统探讨了在不同保温时间（10、30、60分钟）下，采用BNi-2钎料在1050°C真空钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的微观组织、腐蚀行为及力学性能的演变规律。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，通过扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）对钎焊接头的微观结构、相组成及元素分布进行详细表征。其次，利用电化学工作站（采用三电极系统，在3.5 wt.% NaCl溶液中）进行动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）测试，评估接头及对比材料的耐蚀性。第三，参照国家标准进行中性盐雾腐蚀实验，系统研究不同保温时间接头在不同暴露时间（24至480小时）下的腐蚀形貌、深度及产物。最后，通过显微维氏硬度测试和室温拉伸实验（依据GB/T 228.1-2010标准）评价接头的力学性能及其在腐蚀后的退化情况。

3.1. 接头的微观结构表征

研究结果显示，保温时间对钎焊接头的微观组织具有决定性影响。当保温时间为10分钟时，钎缝中心析出大量块状的Cr-硼化物，同时在界面区和母材扩散区内形成颗粒状或针状的Cr-硼化物，尤其是在晶界处呈网状分布。EBSD分析确认这些第二相均为铬的硼化物。随着保温时间延长至30分钟，硼元素向母材扩散更充分，钎缝中心的第二相数量减少。当保温时间达到60分钟时，钎缝中心的第二相几乎完全消失，形成了以镍基固溶体为主的均匀微观结构。元素面扫描分析进一步证实，随着保温时间增加，钎料（Ni, Si, B）与母材（Fe, Cr）元素之间的互扩散更加充分，形成了更宽的元素过渡区。更重要的是，在界面区Cr-硼化物周围的基体中，铬含量随着保温时间的增加而显著回升（从10分钟时的约8.39 wt.%增至60分钟时的12.73 wt.%），这有利于形成稳定的钝化膜，从而提高耐蚀性。

3.2. 接头的腐蚀行为

电化学测试结果表明，BNi-2钎料本身的腐蚀电位最高，耐蚀性最好，1Cr18Ni9Ti母材次之，而钎焊接头的耐蚀性则取决于保温时间。保温时间越长，接头的腐蚀电位正移，腐蚀电流密度降低，电化学阻抗谱显示其容抗弧直径增大，表明耐蚀性增强。盐雾腐蚀实验直观地揭示了腐蚀过程：腐蚀首先发生在界面区，然后向相邻的扩散区扩展。其根本机制是微观电偶腐蚀，即Cr-硼化物（阴极）与周围Cr贫化的基体（阳极）构成腐蚀电偶，在盐雾电解质膜下，阳极金属被快速溶解，形成点蚀并逐渐连接成腐蚀裂纹。研究还发现，钎缝与母材之间的宏观电偶腐蚀效应相对微弱。保温60分钟的接头在480小时盐雾暴露后仍未发生腐蚀，而保温10分钟和30分钟的接头则分别出现了深度达1839.47 μm和1100 μm的腐蚀裂纹。腐蚀产物分析（激光拉曼光谱）表明其主要成分为铁的氧化物（α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄）和羟基氧化物（α-FeOOH, γ-FeOOH），以及少量的Cr₂O₃和NiO。腐蚀裂纹的形成和发展还伴随着自催化酸化效应和氧浓差电池的作用，加速了裂纹尖端的金属溶解。

3.3. 腐蚀前后接头的力学性能

微观硬度测试显示，Cr-硼化物的存在显著提高了钎缝和界面区的硬度，但随着保温时间延长、第二相减少，硬度相应下降。拉伸实验表明，延长保温时间能显著提高接头的强度和塑性。保温60分钟的接头获得了最佳的综合力学性能：屈服强度291 MPa，抗拉强度505 MPa，伸长率11.2%。所有接头均断裂在钎焊界面处，断口呈现典型的韧窝形貌，表明为微孔聚集型韧性断裂。盐雾腐蚀后，接头的力学性能发生显著退化，特别是塑性指标急剧下降。保温10分钟的接头在腐蚀24小时后伸长率即从5.1%降至0.8%，很快失去塑性；而保温60分钟的接头在腐蚀120小时后仍能保持402 MPa的抗拉强度和6.4%的伸长率，性能退化程度远小于短时间保温的接头。

结论与讨论

本研究系统阐明了保温时间对BNi-2钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头组织与性能的影响规律。主要结论归纳如下：首先，较短的保温时间（10-30分钟）促使有害的Cr-硼化物在钎缝中心、界面区及母材扩散带析出，而延长保温时间至60分钟可有效抑制此类脆性相的形成，获得均匀的镍基固溶体组织。其次，接头的腐蚀行为主要由Cr-硼化物与周边Cr贫化基体构成的微观电偶腐蚀主导，宏观电偶效应影响甚微。延长保温时间通过减少Cr-硼化物析出和促进Cr元素再分配，显著提升了接头的耐腐蚀性能。第三，Cr-硼化物的存在提高了接头硬度但恶化了塑性，延长保温时间通过优化微观结构，同步改善了接头的强度和韧性。最后，盐雾腐蚀导致接头力学性能（尤其是塑性）严重退化，但采用60分钟保温工艺的接头表现出最优异的抗性能退化能力。

这项研究的重要意义在于，它明确指出了通过优化真空钎焊工艺参数（特别是保温时间）可以有效调控不锈钢接头的微观结构，从而解决其在高腐蚀性环境中应用时面临的耐久性难题。研究揭示了微观电偶腐蚀是导致钎焊接头性能退化的关键机制，这为未来开发更高性能的钎焊材料和工艺提供了重要的理论依据和实践指导。对于航空航天等领域中要求高可靠性的关键部件制造，本研究推荐的60分钟保温工艺为生产兼具优异力学性能和长期耐蚀性的不锈钢钎焊接头提供了可靠的技术方案。