保溫時間對鈦-銅擴散連接接頭界面組織的影響

柏洪武，劉蒙恩，白莉 ，王懷建

（1.重慶工業職業技術學院 機械工程學院，重慶 401120；2.重慶工業職業技術學院 車輛工程學院，重慶 401120）

0 前言

鈦-銅異種材料連接形成的混合構件在工業中有著重要的應用。比如，在制作鈦靶材時，需要將鈦靶與銅制背板連接起來。在核能發電站的熱交換器制作過程中，也需要將耐腐蝕的鈦制部件與傳熱性能優良的銅制部件連接起來[1]。

但是，盡管鈦-銅復合構件有著廣泛的應用，鈦-銅之間的連接卻不易實現。一方面，鈦-銅之間的物理性能和力學性能均存在顯著的差異，二者熔點相差近600℃，線膨脹系數相差近3倍；另一方面，二者間相互固溶度很小，且在高溫下極易形成一系列的脆性金屬間化合物。當采用常規的焊接方法，如TIG焊來連接鈦-銅異種金屬時，由于母材熔融狀態下劇烈的冶金反應和復雜的溫度場、應力場分布，在接頭處極易出現大量的脆性相和明顯的應力集中，這使得常規的熔融焊接方法很難實現鈦-銅異種金屬的連接[2]。相比之下，固態的擴散連接可以有效地避免熔融焊接過程中出現的問題。在擴散連接過程中，母材均保持固態，其界面反應速度要遠低于熔焊過程中的冶金反應，因而界面組織更容易控制。此外，擴散連接溫度場更為均勻，殘余應力更小。由此可見，擴散連接更適用于鈦-銅的異種材料連接[3]。

在此采用Gleeble1500D熱模擬試驗機對純鈦和純銅進行了擴散連接。通過掃描電子顯微鏡對接頭的界面組織進行了微觀表征，研究接頭界面演變規律，為接頭性能的控制提供指導。

1 實驗材料及方法

實驗材料采用直徑均為12 mm的熱軋態純鈦和純銅棒材。在熱壓連接實驗前，實驗棒材均用線切割制成30 mm長度小樣。待焊表面采用SiC砂紙打磨并拋光。連接前所有試樣均在丙酮中超聲波清洗。在熱模擬試驗機上進行熱壓連接。升溫速度為5℃/s，連接溫度為850℃，連接壓力為10 MPa，焊后試樣直接冷卻至室溫。連接時間分別為30 s、60 s和90 s。

焊后試樣經線切割縱向剖開，研磨并拋光，在掃描電鏡下以BSE模式檢測界面物相組成。采用Photoshop圖像處理軟件采集和統計接頭反應層厚度。

2 實驗結果與討論

連接時間分別為30 s，60 s和90 s時接頭的微觀組織如圖1所示。由圖1a可知，當連接時間為30 s時，在鈦-銅界面上沒有觀察到反應層，但出現離散的顯微孔洞。當連接時間增加到60 s，在鈦-銅界面上，沒有顯微孔洞和不連續等連接缺陷，形成了完整的接頭。另外，界面上發生了明顯的擴散反應。在靠近鈦基體一側，出現了明顯有別于基體襯度，說明該區域發生了相互擴散。相應的能譜分析顯示，該區域 w（Ti）含量約為 94%，w（Cu）含量約為6%。根據Ti-Cu二元相圖，這是β-Ti成分。但是，室溫下Cu在Ti中的固溶度要遠小于測量值。在本實驗中，之所以會存在室溫下Cu合金化的β-Ti，主要是因為Gleeble熱模擬試驗機在實驗結束后的冷卻速度極快，過飽和的β-Ti來不及發生共析轉變，其β-Ti形態得以保留到室溫。在靠近銅基體一側，形成了一系列的反應層[4]。

圖1 不同連接時間的接頭微觀組織Fig.1 Interfacial microstructure of the joint bonded

當擴散連接時間進一步延長至90 s，接頭界面的微觀組織與60 s時的接頭顯微組織很相似。在鈦基體一側形成了β-Ti固溶體，其形成機理與連接時間為60 s時一致，但厚度明顯增加，說明隨著時間的延長，Cu向鈦基體發生了更為顯著的擴散。同樣，在銅基體一側，也形成了多個反應層。與連接時間為60 s時相比，各個反應層的厚度都明顯增加。并且在連接時間為90 s時，還產生了另外一個反應層。

圖1中相應各點的能譜分析結果如表1所示。通過能譜分析得到的各點含量，并結合Ti-Cu二元合金相圖，可以推斷各反應層的物相。由表1可知，當連接時間為60 s時，在接頭界面依次生成了Ti2Cu，TiCu和Ti3Cu4三種金屬間化合物。當連接時間增加至90 s時，在靠近Cu基體一側明顯多出一個反應層。根據能譜分析結果，在這一連接時間下，接頭處分別生成了 Ti2Cu，TiCu，Ti2Cu3+Ti3Cu4的混合層以及Cu4Ti相。在鈦-銅擴散連接界面，金屬間化合物的生成是通過界面元素的反應擴散來實現的。所以，在界面首先形成Ti2Cu相，Ti2Cu中的Ti繼續向Cu中擴散，形成TiCu相，通過Ti在TiCu與Cu之間的擴散形成Ti3Cu4+Ti2Cu3相，最后形成Cu4Ti相。

表1 圖1中各點能譜分析結果Tab.1 EDS results of the analyzed areas in Fig.1%

圖2 不同連接時間下接頭的反應層厚度Fig.2 Total thickness of the reaction layer of the joint bonded for different time

反應層厚度隨連接時間的變化曲線如圖2所示，隨著連接時間的延長，反應層厚度不斷增加。當連接時間為60 s時，反應層的總厚度僅為2 μm。而當連接時間增加到90 s時，反應層厚度增加到5 μm。結合圖1c和Ti-Cu二元合金相圖可以看出，在連接時間為90 s時，金屬間化合物的形核過程已經完成。而當形核完成，高溫條件下，在Ti濃度梯度的驅動下，Ti-Cu之間的互擴散將導致金屬間化合物不斷長大，從而導致反應層厚度的不斷增加。文獻已有報道，在異種材料擴散連接中，界面金屬間化合物的過度長大往往不利于接頭強度，因此，有必要優化工藝參數，控制接頭金屬間化合物的生長[5]。

3 結論

（1）通過850℃，10 MPa壓力下的擴散連接可以實現鈦-銅之間的連接。

（2）當連接時間為30 s時，在接頭處有未完全焊合的顯微孔洞，界面沒有金屬間化合物生成。

（3）當連接時間為60 s時，在界面生成了Ti2Cu，TiCu和Ti3Cu4三種金屬間化合物；而當連接時間增加到90s時，接頭界面組織演變為Ti2Cu，TiCu，Ti2Cu3+Ti3Cu4的混合層以及Cu4Ti相。

（4）反應層厚度隨連接時間的增加而明顯增加。當連接時間為60 s時，反應層厚度僅為2 μm，連接時間為90 s時，反應層厚度增加到5 μm。

[1]郭夏陽，林建平，孫博.擴散焊技術的研究進展[J].熱加工工藝，2014，43（17）：15-20.

[2]秦倩，杜雙明，陳應科.銅夾層Ti-6Al-4V/AZ31B異種金屬的擴散連接[J].熱加工工藝，2015，44（7）：51-59.

[3]陳思杰，朱春莉.鈦及鈦合金先進連接技術研究[J].熱加工工藝，2015，44（3）：18-24.

[4]Cao R，Feng Z，Lin Q，et al.Study on cold metal transfer welding brazing of titanium to copper[J].Materials&Design，2014（56）：165-173.

[5]Aydin K，Kaya Y，KahramanN.Experimentalstudyofdiffusion welding/bonding of titanium to copper[J].Materials&Design，2012（37）：356-368.