Ti/Al異種金屬微電阻點(diǎn)焊接頭的形成過程及形成機(jī)理研究

（南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

鋁合金和鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航天航空工業(yè)等領(lǐng)域[1]。鈦和鋁的物理性質(zhì)如導(dǎo)熱系數(shù)、熔點(diǎn)、晶體結(jié)構(gòu)差別很大，另外鈦在加熱和冷卻時(shí)易發(fā)生脆化，使用常規(guī)的熔焊方法實(shí)現(xiàn)Ti和Al的焊接有很大的難度[2]。

如今研究Ti/Al異種金屬焊接工藝較先進(jìn)的研究機(jī)構(gòu)有烏克蘭巴頓焊接研究所和美國國家航空航天局[3]。國外鈦鋁復(fù)合構(gòu)件己在航空航天領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用，然而我國至今還沒有較為成熟的Ti/Al異種金屬的焊接工藝。目前國內(nèi)外學(xué)者分別采用超聲波焊技術(shù)[4—5]、激光焊技術(shù)[6—7]、攪拌摩擦焊技術(shù)[8]、擴(kuò)散焊技術(shù)[9—10]和真空釬焊技術(shù)[11—12]等手段實(shí)現(xiàn)了鈦/鋁異種金屬的焊接。

微電阻點(diǎn)焊一般應(yīng)用于電子元器件以及醫(yī)療器械等方面[13]。文中通過研究Ti/Al異種金屬微電阻焊焊接工藝參數(shù)對接頭組織性能和接頭形成機(jī)理的影響，對微電阻點(diǎn)焊的研究具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料選用的2A12鋁合金為0.2 mm薄片，TC4鈦合金為0.2 mm退火態(tài)薄片。TC4鈦合金含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6.0%的 Al，4.0%的 V，0.026%的 Fe，0.015%的C，0.008%的N，0.007%的H，余量為Ti。2A12鋁合金含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.8%的Cu，1.2%的Mg，0.3%的Zn，0.9%的 Mn，0.15%的Ti，0.1%的Ni，余量為Al。TC4合金與2A12鋁合金的微電阻點(diǎn)焊采用搭接的方式進(jìn)行焊接。實(shí)驗(yàn)中焊接電流為3.5～4.5 kA，焊接時(shí)間為8～12 ms，電極壓力為120～200 N。借助金相觀察、EDS、XRD等方法，對接頭元素?cái)U(kuò)散以及成分分布進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 點(diǎn)焊接頭界面成分分析

為了深入研究 Ti/Al微電阻點(diǎn)焊接頭的形成機(jī)理，對最佳焊接工藝參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了 EDS分析。點(diǎn)焊接頭的元素線掃描能譜分析見圖 1a，線掃描選擇從鋁側(cè)母材向熔核內(nèi)部深入。

線掃描曲線見圖 1b，可以看出，Al側(cè)母材與熔核界面處能夠觀察到Ti元素，同時(shí)對比Ti和Al元素的比例，可以得出界面處有Ti-Al金屬間化合物的生成。另外觀察熔核內(nèi)部的元素分布情況，可以看出Ti元素和Al的分布曲線在熔核內(nèi)部分布較為均勻，說明熔核內(nèi)部元素?cái)U(kuò)散較為充分。

圖1 線掃描能譜分析及曲線Fig.1 Energy spectrum analysis and curve of line scanning

熔核中心區(qū)域的點(diǎn)掃能譜分析見圖2，對應(yīng)的各個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)掃EDS分析結(jié)果見表1。圖2a為EDS分析選取區(qū)域示意圖。由表 1可以得出，區(qū)域“1”熔核中心區(qū)域“月牙”狀組織中，Ti元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為85.02%，Al元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)僅為11.54%。由此能夠推測出該區(qū)域包含了進(jìn)入熔核內(nèi)部破碎的 TC4顆粒和少量Ti-Al金屬間化合物。區(qū)域“2”是熔核內(nèi)顆粒狀組織，由表1中Ti和Al的原子比例，以及圖2b微區(qū)XRD分析能夠推測出該區(qū)域的主要成分為TiAl金屬間化合物。區(qū)域“3”為熔核基體組織，根據(jù)表 1中可以得出Ti元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為21.03%，Al元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為78.1%。結(jié)合圖2b的微區(qū)XRD分析能夠推測出熔核基體的主要成分為Al3Ti金屬間化合物。

熔核/Ti側(cè)界面交界處的EDS點(diǎn)掃能譜分析見圖3，對應(yīng)各點(diǎn)的點(diǎn)掃 EDS分析結(jié)果見表 2。圖 3a為EDS分析選取區(qū)域示意圖。區(qū)域“1”是破碎的熔核顆粒與Al側(cè)母材交界區(qū)域。由表2分析結(jié)果得出，該區(qū)域的Al元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為53.5%，Ti元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為45.04%，V的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為1.47%。根據(jù)以上3種元素的原子比例能夠推斷出該區(qū)域生成了 Ti-Al金屬間化合物。區(qū)域“2”為熔核與Ti側(cè)母材界面生成的顆粒狀化合物。由表2的分析結(jié)果可以得出，該處Al元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為81.61%，Ti元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為19.39%。結(jié)合圖3b的微區(qū)XRD分析能夠推測出該區(qū)域存在少量的金屬間化合物。區(qū)域“3”為破碎的熔核顆粒，由表2的分析結(jié)果能夠得出，該區(qū)域的Al元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為 39.18%，Ti元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為58.74%，V的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為 2.08%。結(jié)合微區(qū) XRD分析，推測出該區(qū)域生成了 AlTi3和 AlTi2金屬間化合物。

圖2 熔核中心區(qū)域的點(diǎn)掃能譜分析Fig.2 Spot scanning energy spectrum analysis on central region of a nugget

表1 熔核中心區(qū)域元素EDS分析結(jié)果Tab.1 Results for EDS analysis on elements in the central region of nugget %

圖3 熔核/Ti側(cè)界面交界處的EDS點(diǎn)掃能譜分析Fig.3 EDS spot scanning energy spectrum analysis at the interface of nugget/Ti side

表2 熔核/Ti側(cè)界面交界處EDS分析結(jié)果Tab.2 Results for EDS analysis on interface of nugget/Ti side %

2.2 接頭形成過程

基于研究結(jié)果分析可得，接頭形成過程基本可以分成以下4個(gè)階段。

第1階段：在接觸電阻提供的析出熱量下，由于Al板和銅電極的導(dǎo)熱作用，Ti板中心區(qū)域溫度最高并形成熔核。此時(shí)Ti/Al界面處的溫度未超過Al的熔點(diǎn)，熔核在 Ti板中心區(qū)域長大，界面未發(fā)生熔化，此時(shí)兩板為固相連接。

第2階段：隨著析出熱量的提高，當(dāng)界面處的溫度高于Al的熔點(diǎn)時(shí)，界面附近的Al側(cè)母材開始熔化，并在Ti板上潤濕鋪展，形成釬焊連接。

第 3階段：固/液界面處固相的鈦合金內(nèi)部結(jié)合鍵被破壞，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生分解，同液態(tài)的鋁合金中的鋁原子結(jié)合產(chǎn)生新鍵，由此在界面處發(fā)生溶解的現(xiàn)象。在濃度梯度的作用下，界面處發(fā)生溶解的原子能夠通過固/液界面進(jìn)行擴(kuò)散。

第4階段：當(dāng)界面處溶解的原子在液態(tài)鋁中溶解度超過飽和固溶度時(shí)，界面處發(fā)生冶金反應(yīng)生成Ti-Al金屬間化合物。金屬間化合物能夠在界面處固相的鈦合金表面發(fā)生異質(zhì)形核，Ti-Al金屬間化合物在鈦合金表面形核長大。當(dāng)界面區(qū)域生成的反應(yīng)物連成一片時(shí)，Ti原子經(jīng)由界面處的反應(yīng)層向液態(tài)鋁合金的熔核內(nèi)部擴(kuò)散，從而導(dǎo)致界面層的進(jìn)一步生長。

3 結(jié)論

1)對熔核與母材界面各區(qū)域進(jìn)行EDS以及微區(qū)XRD分析可以推斷出，熔核與鋁側(cè)母材界面處的針狀化合物經(jīng)過分析推測其主要成分為Ti-Al金屬間化合物。熔核內(nèi)部主要成分為Al3Ti金屬間化合物。熔核與Ti側(cè)母材界面處生成了AlTi3和AlTi2金屬間化合物。

2)接頭形成過程基本可以分成“固相連接”、“釬焊連接”、“熔化連接”、“熔核的形成與長大”4個(gè)階段。