熱壓擴(kuò)散焊接icu層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能

熱壓擴(kuò)散焊接icu層狀復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是航空航天、電子、機(jī)械、化工等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)材料的要求越來(lái)越高。單一材料的性能不能滿足生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。Ti具有耐磨耐蝕性好、比強(qiáng)度高、密度小等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于航空航天、化工、石油等行業(yè);Cu具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、延展性,在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。把Ti、Cu異相金屬相互復(fù)合制備出Ti/Cu復(fù)合材料,使其兼具Ti、Cu各自性能的優(yōu)點(diǎn),對(duì)材料性能的最大化利用及其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展具有極大的意義。爆炸復(fù)合法因具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)靈活,適合任何異種金屬間的結(jié)合而被廣泛用于Ti/Cu、Ti/鋼、Cu/A等復(fù)合材料的生產(chǎn)。但爆炸復(fù)合法存在著操作條件差、生產(chǎn)成本高、對(duì)環(huán)境污染大等不足。真空熱壓擴(kuò)散焊接由于焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、密封性和耐腐蝕性都能滿足重要構(gòu)件的技術(shù)要求,越來(lái)越多的用于異種金屬的焊接。本文利用真空熱壓擴(kuò)散焊接法制備了Ti/Cu復(fù)合材料,研究了焊接過(guò)程中保溫時(shí)間對(duì)試樣結(jié)合界面組織、電阻率及其力學(xué)性能的影響。1真空熱壓擴(kuò)散爐復(fù)合非織造材料試驗(yàn)采用尺寸同為2mm×70mm×70mm的工業(yè)純Ti(Ti>99.6%)和工業(yè)純Cu(Cu>99.5%),分別用自配溶液處理Ti、Cu表面油污及氧化物,將處理好的Ti、Cu片放入真空熱壓擴(kuò)散爐中進(jìn)行復(fù)合,真空度為3×10-3Pa,樣品按三明治形式疊放,上下是Ti中間是Cu。在焊接過(guò)程中,保持焊接溫度(800℃)、焊接壓力(3.5MPa)不變,保溫時(shí)間分別為20、40、60、80、100min。從不同保溫時(shí)間條件下的Ti/Cu復(fù)合材料取樣,進(jìn)行鑲樣、拋光處理,采用配有能譜儀(EDS)的MLA650掃描電子顯微鏡(SEM)觀察界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)及元素成分,利用四電子探針儀(如圖1所示)測(cè)量界面電阻率,并使用AG-IS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量材料的抗彎曲性能,分析保溫時(shí)間對(duì)Ti/Cu復(fù)合材料界面組織及其性能的影響。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1擴(kuò)散層厚度及保溫時(shí)間的變化圖2為焊接溫度800℃、焊接壓力3.5MPa、不同保溫時(shí)間的Ti/Cu復(fù)合材料的界面微觀組織形貌。由圖2可以看出,不同保溫時(shí)間下Ti、Cu間均形成了不同厚度的擴(kuò)散層,說(shuō)明二者發(fā)生了擴(kuò)散或遷移,實(shí)現(xiàn)了Ti、Cu的冶金結(jié)合。同時(shí)可以看到,隨著保溫時(shí)間增加,界面亞層數(shù)并未增加或減少,均只含有4個(gè)不同的亞層,可見(jiàn)亞層的形成只與焊接溫度有關(guān),保溫時(shí)間增加僅僅影響亞層的厚度。保溫時(shí)間越長(zhǎng),Ti、Cu原子擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng),增加了原子的擴(kuò)散距離,隨著保溫時(shí)間增加,界面擴(kuò)散層總厚度及各亞層厚度逐漸增大,擴(kuò)散層總厚度由20min的33.134μm增加到100min的66.443μm,擴(kuò)散層總厚度與保溫時(shí)間呈二次函數(shù)關(guān)系,滿足固相擴(kuò)散過(guò)程中擴(kuò)散層厚度與保溫時(shí)間的關(guān)系式χ2=BDt,式中χ為擴(kuò)散層厚度、t為保溫時(shí)間、B為常數(shù)、D為擴(kuò)散系數(shù),在本文中保持不變。由于不同保溫時(shí)間下均生成相同的4個(gè)亞層,為了分析各亞層金屬間化合物的物相,只對(duì)保溫40min的試樣進(jìn)行EDS分析,各點(diǎn)的位置圖如圖2(b)所示,擴(kuò)散反應(yīng)層各亞層的EDS測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由圖2(b)及表1可以看出,從Cu側(cè)到Ti側(cè),Cu的含量逐漸減少,Ti的含量逐漸增加。根據(jù)Ti-Cu二元相圖及Ti、Cu原子分?jǐn)?shù)可以推算出,1~7點(diǎn)成分依次為:以Cu為溶劑的固溶體、Cu4Ti、Cu4Ti3、CuTi、CuTi2、以Ti為溶劑的固溶體、Ti基體。由于Ti的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶胞、Cu的晶體結(jié)構(gòu)為面心晶胞,Cu向Ti擴(kuò)散時(shí)要克服的面心晶胞勢(shì)壘遠(yuǎn)小于Ti向Cu擴(kuò)散時(shí)所需克服的密排六方晶胞勢(shì)壘;同時(shí)Ti原子尺寸大于Cu原子尺寸,使得Ti原子更不易向Cu發(fā)生擴(kuò)散。因此,Cu原子向Ti原子擴(kuò)散的激活能小于Ti原子向Cu原子擴(kuò)散的激活能,即擴(kuò)散時(shí)Cu原子克服勢(shì)壘向Ti中發(fā)生躍遷的原子數(shù)及擴(kuò)散速度均大于Ti原子克服勢(shì)壘向Cu中發(fā)生躍遷的原子數(shù)及擴(kuò)散速度。表現(xiàn)為Ti基體中固溶的Cu原子含量高于Cu基體中固溶的Ti原子含量。2.2保溫時(shí)間及固溶度圖3為Ti/Cu復(fù)合材料電阻率與保溫時(shí)間的關(guān)系圖。從圖3中可以看出,隨著保溫時(shí)間的增加,Ti/Cu復(fù)合材料的電阻率先減小后增大。影響電阻率的因素有兩點(diǎn):(1)隨著保溫時(shí)間的增加,Cu在Ti基體中的固溶度越大,二者的熱膨脹系數(shù)差會(huì)隨之減小,冷卻過(guò)程中拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋會(huì)越小,更易于電子的傳輸;(2)隨著保溫時(shí)間的增加,界面擴(kuò)散層厚度會(huì)逐漸增加,即硬脆相厚度增加,電子傳輸過(guò)程中在硬脆相中的運(yùn)動(dòng)路徑就越長(zhǎng),其傳輸所受的阻力就越大,電子運(yùn)動(dòng)就會(huì)越困難,則導(dǎo)電性能下降。Ti/Cu復(fù)合材料電阻率與保溫時(shí)間的變化趨勢(shì)可能是由這兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果,并在保溫時(shí)間為60min時(shí)電阻率最低為3.634×10-8Ω·m。相比純Ti電阻率4.2×10-7Ω·m,Ti/Cu復(fù)合材料電阻率有較大幅度的降低,僅為純Ti的8.65%,說(shuō)明中間Cu層的加入可以改善電勢(shì)的分布,提高材料的導(dǎo)電性。2.3抗彎曲性能分析圖4是Ti/Cu復(fù)合材料試樣三點(diǎn)彎曲后的照片及其三點(diǎn)彎曲性能對(duì)比測(cè)試結(jié)果。從圖4(a)可以看出,試樣界面均未出現(xiàn)斷裂的情況,說(shuō)明界面結(jié)合狀況好。由圖4(b)可知,試樣的抗彎曲強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì),即隨著保溫時(shí)間的增加,Ti/Cu復(fù)合材料的抗彎曲性能越好。結(jié)合圖2可知,隨著保溫時(shí)間的增加,Ti、Cu原子的互擴(kuò)散距離增大導(dǎo)致擴(kuò)散層厚度增加,擴(kuò)散層中的硬脆相厚度隨之增加,試樣的抗彎曲性能越好;同時(shí)隨著保溫時(shí)間的增加,Cu、Ti原子擴(kuò)散到Ti基體、Cu基體的量及深度逐漸增加,由于固溶強(qiáng)化作用,固溶體的強(qiáng)度高于各組元,從而使得Ti/Cu復(fù)合材料的整體的抗彎曲性能增加。由此可以得出,Ti/Cu復(fù)合材料具有界面結(jié)合及良好的力學(xué)協(xié)同性能,且隨著保溫時(shí)間的增加,試樣抗彎曲性能逐漸增大。3ti/cu復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)1)焊接溫度800℃、壓力3.5MPa一定時(shí),隨著保溫時(shí)間的增加,Ti/Cu復(fù)合材料界面擴(kuò)散層逐漸增厚,且均生成4個(gè)亞層,各亞層的化合物依次為Cu4Ti、Cu4Ti3、CuTi、CuTi2