表面納米化0Cr18Ni9Ti/TA17加鎳中間層擴散連接

黃利，盛光敏，羅軍，薛昊飛

(重慶大學 材料科學與工程學院，重慶，400030)

在航空航天、醫療器械、石油化工和核工業等領域，鈦合金/不銹鋼復合材料作為鈦合金的代替品來使用，能夠充分發揮其性能和經濟上的優勢互補，具有廣闊的應用前景[1-2]。由于鈦合金與不銹鋼進行連接時容易產生硬而脆的Fe-Ti金屬間化合物[3]，而且物理化學性能差異(線膨脹系數、熱導率等)會導致在接頭處產生較大的殘余內應力，從而產生微觀裂紋[4-5]，嚴重影響接頭性能[6]。采用適當的中間層來解決異種材料連接問題在國內外已有大量的研究。何鵬等[7-8]采用釩和銅作為TiAl/40Cr的中間層進行擴散焊接，接頭強度為200 MPa；Kundu等[9]采用銅作為Ti/304的中間層進行擴散焊接，接頭強度達到318 MPa，但耐腐蝕性能不能滿足要求。鎳的耐蝕性好，是非碳化物形成元素[10-11]，且塑性好，可以緩解接頭處的內應力[12]；根據Fe-Ni、Ti-Ni二元相圖，Fe和Ni可以無限互溶，Ti和Ni可形成一定的金屬間化合物[4]；而Ti-Ni金屬間化合物具有一定的塑性[13]。納米晶體材料的晶界體積分數高，能為原子提供大量擴散通道[14]，提高原子的擴散速度[15]，并且納米晶組織中存在的位錯、空位、亞晶界等非平衡缺陷及過剩能量，有利于原子的化學反應[16-17]。經研究發現：在快速加壓條件下，原子在固相中擴散速度可大大提高，甚至可能超過液相擴散速度，因而，原來在一定擴散溫度下需要幾小時才能形成的擴散接頭，現可瞬時完成[18]。本研究在 Han等[2,17,19]研究基礎上，采用高能噴丸對TA17鈦合金和0Cr18Ni9Ti不銹鋼進行表面自納米化處理，使表面層得到一定厚度的納米晶粒[19]，并對鎳箔中間層進行脈沖加壓擴散連接試驗，對接頭性能進行了測試，并對接頭結構及拉伸斷口進行一系列的微觀分析。利用表面納米化、加中間層脈沖加壓擴散連接方法以阻止連接接頭 Fe-Ti脆性金屬間化合物的形成，提高連接接頭質量，這對鈦合金與不銹鋼異種材質的連接具有指導意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為 TA17近 α型鈦合金和0Cr18Ni9Ti不銹鋼的棒材，直徑為12 mm。其中鈦合金的熱處理狀態為熱軋后750 ℃再結晶退火1 h，不銹鋼為熱軋態，材料的化學成分見表 1。中間層材料采用純鎳箔，厚度為12.5 μm。

1.2 試驗方法

將TA17鈦合金(Ti)和0Cr18Ni9Ti不銹鋼(SS)棒材的連接端面用水砂紙進行打磨并拋光，然后，采用高能噴丸(HESP)對棒材的端面進行表面自納米化處理。高能噴丸所用的設備為 6050型噴丸機，噴丸參數如下：鋼丸直徑為1.0 mm，工作距離為50 mm，工作壓力為0.6 MPa，噴丸時間為5 min。經噴丸后，噴丸面變粗糙，需將噴丸面再次打磨并拋光，保證試樣噴丸端面無微孔且2個試樣能緊密接觸，以滿足擴散連接的界面條件。

擴散實驗在 Gleeble-1500D熱模擬試驗機上進行。焊前采用酸洗的方法(不銹鋼：6% HCl, 2% HF和92%水，體積分數，室溫，時間為10 s；鈦合金：80%HNO3，20% HF，100 ℃，時間為30 s)去除表面氧化膜，并用丙酮清洗表面，清除表面油脂。

鈦合金/不銹鋼試樣裝配如圖1所示，將中間層與2種材料的噴丸端面對接，采用Ni-Cr、Ni-Al熱電偶進行測溫，熱電偶焊于不銹鋼側距界面1 mm處。為了避免試樣與夾具在高溫下發生粘結，在二者之間加入鉭片。連接時的真空度為0.1 Pa。

圖1 試樣裝配圖Fig.1 Assembly of samples

根據文獻[18]選擇鈦合金與不銹鋼脈沖加壓連接參數，脈沖加壓連接工藝如圖2所示。為探討連接溫度對接頭性能的影響，連接溫度選擇4種溫度(分別為800，825，850 和 875 ℃)，升溫和降溫速率都為 5 ℃/s，脈沖壓力為8～50 MPa，脈沖頻率為0.5 Hz，脈沖次數為40(時間為80 s)，脈沖加壓后保溫時間為120 s。連接后的試樣在400 ℃下退火1 h，以消除連接殘余內應力。

將拉伸試樣加工成直徑為 10 mm，在新三思CMT5105型材料拉伸試驗機進行拉伸，加載速率為0.5 mm/min，并用OLYMPUS-GX41型金相顯微鏡對接頭剖面的組織進行觀察，用Vega Tescan型電子掃描顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)對拉伸斷口和接頭剖面的組織進行觀察和分析，并用D/MAX-1400型X線衍射儀對拉伸斷口試樣進行X線衍射試驗，以便對試樣上的組織和物相進行分析。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of tested materials %

圖2 脈沖加壓連接工藝曲線Fig.2 Curve of PPDB bonding technique

2 結果及分析

2.1 接頭抗拉強度

表2所示為連接接頭的抗拉強度和壓縮率，從表2中可以看到：當溫度低于850 ℃時，抗拉強度隨著溫度升高而提高，這是由于隨著連接溫度升高，材料塑性變形增強，接頭有效接觸面積增大[6]，并且原子間的擴散增強，有利于接頭強度的提高；而當溫度高于850 ℃時，抗拉強度隨著溫度升高反而降低。這是由于溫度升高接頭處形成的 Ti-Ni金屬間化合物厚度增加，接頭組織粗大，材料變形導致較大的內應力嚴重影響了接頭的性能[2]。

表2 連接接頭的抗拉強度和壓縮率Table 2 Tensile strength and compressibility of bonded joints

2.2 接頭剖面金相觀察

圖3所示為不同溫度下接頭剖面的金相組織，根據不同的組織特征可以將接頭分為A，B，C，D，E，F和G 7個區域，其中：A區為不銹鋼基體區，晶粒比較粗大；B區為細晶粒區，該區域為不銹鋼表面自納米化后的納米組織區域，由圖3可以看出：擴散連接后仍然不能區分晶粒形貌與大小，說明晶粒還沒有明顯長大；C區為Fe-Ni固溶體區和鎳箔層，由于鎳耐腐蝕，該區呈白亮區；D區為Ti-Ni金屬間化合物和Ti-Ni固溶體層；E區為β-Ti層，隨著溫度升高厚度增加；F區為鈦合金側的細晶粒區；G區為鈦合金基體區。由金相組織可以推斷可能純鎳層仍然存在，說明鎳箔阻止了Ti/Fe之間的互擴散，阻止了Ti-Fe脆性金屬間化合物的形成。擴散連接后納米晶粒層轉變為細晶粒層，并且隨著溫度升高，接頭兩側的細晶粒層厚度逐漸減少。

圖3 不同溫度下擴散焊接頭剖面金相組織Fig.3 Longitudinal section microstructures of joints at different temperatures

2.3 接頭SEM組織觀察

為了確定連接接頭處元素組成及分布，對接頭性能最好的溫度即850 ℃進行了接頭微觀分析。圖4所示為850 ℃時脈沖加壓連接接頭縱剖面的SEM形貌及相對應的能譜分布圖。在SEM圖(圖4(a))中，根據不同的組織特征可以分為A，B，C，D和E 5個區域，其中A區為鈦合金基體區；B區為Ni在β-Ti區，Ni元素是β-Ti穩定元素，降低α相向β相轉變溫度[20]，在高溫時該區有大量的β相生成，冷卻時來不及轉變而保留到室溫；C區為Ti-Ni金屬間化合物和Ti-Ni固溶體區；D區為純鎳層；E區為Fe-Ni固溶體和不銹鋼基體區。

經過相對應的接頭界面兩側一定范圍內的線能譜分析可以看到Fe，Ti和Ni元素的分布(圖4(b))。結果表明：鎳箔中間層與兩側母材均產生了一定程度的相互擴散，形成了成分逐漸變化的擴散層。從鎳元素的分布曲線可見：Ni層尚余6 μm沒有擴散。Ni原子與Fe原子相互擴散距離都比較小，大約為5 μm，而Ni原子在Ti原子中擴散(約30 μm)比Ti原子在Ni原子中擴散(約8 μm)大得多。這是由于Ti、Ni和Fe原子半徑分別為 1.73 ?、1.24 ?、1.27 ?，根據擴散理論[21]，在一般情況下，原子半徑小的元素易向原子半徑大的元素中擴散，因此，Ni原子容易向Ti原子擴散，而Ni原子與Fe原子半徑相近，需要在高溫下長時間才能加速擴散。

圖4 850 ℃下擴散焊接頭剖面的SEM和EDSFig.4 SEM and EDS on longitudinal section of joint

2.4 接頭斷口分析

在拉伸試驗中，試樣斷裂于不銹鋼與鈦合金連接界面，斷口平整，沒有頸縮痕跡，宏觀表現為脆性斷裂。圖5所示為850 ℃下連接接頭拉伸斷口的微觀形貌。從圖5可以看出：不銹鋼側和鈦合金側的微觀形貌上沒有很大差別，被撕裂的試樣存在塑性變形痕跡，說明接頭具有一定的塑性。對圖5中“十”位置進行能譜點分析，不銹鋼側A點主要成分(原子數分數)為Ti 57.49%，Ni 42.51%；鈦合金側B點的主要成分(原子數分數)為Ti 69.52%，Ni 30.48%。斷口中沒有Fe元素的出現，Ni層阻止了Fe/Ti的互擴散，并且斷裂發生在Ti/Ni層某個位置。

圖5 850 ℃下擴散焊接頭拉伸斷口的SEMFig.5 Tensile fracture SEM of bonded joint at 850 ℃

為了進一步查明各擴散層的具體組成、相結構和斷面位置，進行了接頭剖面及斷面的X線衍射分析。圖6(a)所示為接頭剖面處的XRD分析，可以看出：在接頭處有新相生成，主要有Ti-Ni金屬間化合物(Ti2Ni，TiNi3)以及(Fe，Ni)固溶體和β-Ti組成。并且沒有發現有 Fe-Ti脆性金屬間化合物，說明鎳箔阻止了 Fe/Ti的互擴散。圖 6(b)和圖6(c)所示分別為拉伸斷口不銹鋼側和鈦合金側的X線衍射分析。從圖6可以看出：不銹鋼側(圖 6(b))的主要物相為 Ti-Ni金屬間化合物(TiNi，TiNi3，Ti2Ni)和純鎳，而鈦合金側(圖 6(c))主要為Ti-Ni金屬間化合物(TiNi、Ti2Ni)和純鎳。斷口兩側同時出現了 Ti-Ni金屬間化合物和純鎳，這說明斷裂的位置為純鎳層與Ti-Ni金屬化合物的界面處。

圖6 850 ℃下擴散連接接頭剖面及拉伸斷口X-ray衍射分析Fig.6 X-ray diffraction Patters of longitudinal section of joint and tensile fracture

3 結論

(1) 擴散連接后，鎳箔中間層分別與鈦合金和不銹鋼中形成Ni-Ti金屬間化合物和(Fe，Ni)固溶體；純鎳層有效地阻止 Fe-Ti金屬間化合物的形成，界面兩側的細小晶粒有利于接頭性能的提高。

(2) 在溫度為850 ℃、脈沖壓力為8～50 MPa、脈沖次數為40次、脈沖頻率為0.5 Hz、脈沖前保溫時間為0 s、脈沖后保溫時間為120 s，連接時間為200 s的條件下，接頭強度達到322.8 MPa。

(3) 連接接頭斷裂發生于 Ti-Ni金屬間化合物和Ni層界面處，微觀斷口形貌呈現出一定的塑性。

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