（材料物理与化学专业论文）tc4与无氧铜的扩散焊接研究.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文 摘要 钛及其合金和铜及其合金的焊接研究在国民经济中占有重要的地位。钛合 金与铜合金的扩散焊接接头的力学性能受t i 与c u 之间形成的脆性金属间化合 物影响明显，采用中间层可以改善钛合金与铜合金焊接接头的焊接性能。 本论文采用真空扩散焊接的方法获得钛合金t c 4 与无氧铜o f c 的直接和含 中间层的焊接接头，采用s e m 、e p m a 、x r d 、e d s 和显微硬度仪对焊接接头 界面显微结构与元素分布进行了表征。获得了焊接工艺以及不同中间层对 t c 4 o f c 焊接接头的抗拉强度、界面物相组成与分布的影响规律。 t c 4 o f c 直接焊接接头的抗拉强度偏低，在工艺制度为：焊接温度8 0 0 0 c ， 保温时间3 0 r a i n ，焊接压力5 m p a 时，抗拉强度达到其极大值4 8 3 2 m p a 。拉伸 断口形貌结果表明断口发生在焊接界面的c u t i 金属问化合物层处，由沿晶断裂 和脆性解理断裂构成，呈现明显的三层台阶状。焊接接头显微硬度、拉伸断口 元素、物相分析结果均表明，t c 4 与o f c 之间的金属间化合物主要由c u 4 t i 3 、 c u 3 t i 2 、c u t i ，以及少量的c u 4 t i 、c u t i 2 、c u t i 3 构成。t i c u 脆性金属间化合物 是t c 4 o f c 焊接接头抗拉强度低的主要原因。 添加n i 和0 c r l 8 n i 9 中间层可获得抗拉强度较高的焊接接头，但二者效果 不相同，n i 中间层对t c 4 n i o f c 焊接接头抗拉强度无明显提高，在焊接温度 为8 2 0 0 c 时达到极大值，为8 0 7 m p a ；0 c r l8 n i 9 中间层对t c 4 0 c r l8 n i 9 o f c 焊接接头的抗拉强度有显著提高，在焊接温度为8 8 0 0 c 时达到极大值，为1 4 0 3 m p a 。实验结果表明：虽然n i 箔阻止了c u - t i 金属问化合物的形成，但是结合 处生成了新的脆性n i t i 金属问化合物n i 3 t i 、n i 2 t i ，对焊接接头性能产生了不 利影响。0 c r l 8 n i 9 t c 4 结合处生成的厚度非常薄而且有一定塑性n i 3 t i 、f e 2 t i 、 f e t i 等金属间化合物，起到了改善接头力学性能的效果。 焊接接头界面处反应层生成物由热力学和动力学因素共同决定，各种焊接 接头金属问化合物反应层的生长模型分为三个阶段：物理接触阶段、金属间化 合物反应层生成阶段、金属问化合物反应层长大阶段。 关键词：t c 4 ，无氧铜，扩散焊接，中问层，金属间化合物 武汉理r 人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e w e l d i n gb e t w e e n t i t a n i u ma l l o y sa n dc o p p e ra l l o y sp l a y si m p o r t a n tr o l e si n n a t i o n a le c o n o m y p r e v i o u ss t u d i e ss h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fj o i n t s b e t w e e nt i t a n i u ma l l o ya n dc o p p e ra l l o yw e r ei n f l u e n c e db yt h eb r i t t l ei n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d sf o r m i n gi nt h ep r o c e s so fw e l d i n g t r a n s i t i o nl a y e rc a ni m p r o v et h e p e a o r m a n c eo fc u t iw e l d e dj o i n t i nt h i sp a p e r ，t c 4 o f cw e l d e dj o i n t sw e r eo b t a i n e db yv a c u u md i f f u s i o n w e l d i n g a n dw ea l s oa d o p t e ds e m ，e p m a ，x r d ，e d sa n dm i c r o h a r d n e s st e s t e rt o o b s e r v et h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l d e dj o i n t sa n da n a l y z ei t se l e m e n td i s t r i b u t i o no f t h e s u r f a c e t h e ng e tt h er u l eo fh o wt h ew e l d i n gt e c h n i q u ea n dd i f f e r e n tt r a n s i t i o nl a y e r a f f e c tt h et e n s i l es t r e n g t h ，t h et y p ea n dd i s t r i b u t i o no fi n t e r f a c ep r o d u c t so fw e l d e d j o i n t so f t c 4 o f c t e n s i l es t r e n g t ho ft c 4 o f cw e l d e dj o i n t si so nt h el o ws i d e t h ep r o c e s s s y s t e mi s a sf o l l o w s ：w h e nw e l d i n gt e m p e r a t u r ei s8 0 0 2 ，h o l d i n gt i m ei s3 0m i n s ， w e l d i n gp r e s s u r ei s5 m p a , t h et e n s i l es t r e n g t h o fj o i n tr e a c h e si t sm a x i m u ma t 4 8 3 2 m p a t h ef r a c t u r eo ft h et e n s i l es p e c i m e ns h o w st h a tt h ef r a c t u r eo c c u r r e di n t h ew e l d i n gi n t e r f a c eo ft h ec u - t ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dl a y e ra n dc o n s i s t so fg r a i n f r a c t u r ea n db r i t t l ec l e a v a g ef r a c t u r ea n da p p e a r sa sac l e a rt h r e e - s t e p - l i k es t a t e m i c r o h a r d n e s s ，e l e m e n t a la n a l y s i sa n dp h a s ea n a l y s i so fw e l d e dj o i n t si n d i c a t e dt h a t t h ei n t e r m e t a l l i cb e t w e e nt c 4a n do f cc o m p o u n d sm a i n l yc o n s i s to fc u 4 t i 3 ，c u 3 t i 2 ， c u t i ；as m a l la m o u n to fc u 4 t i ，c u t i 2a n dc u t i 3 b r i t t l ei n t e r m e t a l l i ci st h em a i n c a u s eo ft h et e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s e n ia n do c r l8 n i 9 ，a d d e da st h et r a n s i t i o nl a y e r ，c a na c q u i r eh i g h e rt e n s i l e s t r e n g t ho ft h ew e l d i n gj o i n t s b ya d d i n gn it r a n s i t i o nl a y e r ，t h e r ei s n o to b v i o u s i m p r o v e m e n ti nt h et e n s i l es t r e n g t ho fw e l d i n gj o i n to f t c 4 n i o f c m a x i m u mj o i n t s t r e n g t h ，8 0 7 m p ai so b t a i n e dw h e nw e l d i n gt e m p e r a t u r er e a c h e s8 2 0 c b ya d d i n g 0 c r l8 n i 9t r a n s i t i o nl a y e r , t h e r ei ss i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n tt h et e n s i l es t r e n g t ho f w e l d i n gj o i n t 1 4 0 3 m p a ，t h em a x i m u mj o i n ts t r e n g t hi s o b t a i n e dw h e nw e l d i n g h 武汉理i ：人学硕十学位论文 t e m p e r a t u r er e a c h e s8 8 0 。c t h er e s u l ts h o w e dt h a ta l t h o u g ht h en if o i lp r e v e n t st h e c u t ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n df o r m a t i o n ，b u tan e wj u n c t i o no ft h eb r i t t l en i - t i i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dn i s t ia n dn i z t ii sg e n e r a t e d ，w h i c hh a san e g a t i v ei m p a c to n t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew e l d i n gj o i n t n i s t i ，f e e t i ，f e t ia n do t h e ri n e r m e t a l l i c s ， g e n e r a t e di nt h e0 c r l8 n i 9 t c 4j o i mi m e r f a c e ，w h i c ha r ev e r yt h i na n dp l a s t i c ，c a n i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f j o i n t s w e l d e dj o i n t sr e a c t i o nl a y e rp r o d u c t sa r ed e c i d e db yt h e r m o d y n a m i c sa n d k i n e t i c sf a c t o r s g r o w t hm o d e l so fr e a c t i o nl a y e r so fw e l d e dj o i n t sb e t w e e nd i f f e r e n t m e t a lc o m p o u n d sa r ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：p h y s i c a lc o n t a c t i n g ，i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n dl a y e rg e n e r a t i n g , a n di n t e r m e t a l l i cl a y e rg r o w i n g k e yw o r d s ：t c 4 ，o f c ，d i f f u s i o nw e l d i n g ，t r a n s i t i o nl a y e r ，i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大 学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同 时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期 武汉理j r 人学硕士学位论文 第1 章绪论 科技的进步产业的现代化和装备的高性能化对金属材料提出了更高、更苛 刻的要求。无论是从经济性还是使用性的角度来看，传统单一的金属材料已经 很难满足工业生产对金属材料综合性能的要求。因此，世界各国都致力于研究 与开发异种金属材料之间的焊接技术，这已经成为材料焊接领域的热门课题之 一【i 】o 异种金属焊接种类很多，应用很广，总的来说异种会属的焊接构件，异种 金属焊件的综合性能超过单一金属结构性能【2 】，具有突出的优点，例如：在不同 温度和载荷作用下，具有优良的力学性能；在不同的介质中，具有良好的耐腐 蚀和耐侵蚀的性能；在电场，磁场或放射线作用下，其物理化学性质不起变化。 同时，异种金属的焊接可节省大量贵重金属，降低成本，简化结构构造的工艺 过程，因此，异种金属的焊接技术已经成为了工农业生产中不可缺少的一门高 新技术。 1 1 扩散焊接的概述 目前焊接的种类和方法很多【3 】，如平面扩散焊接、钎焊、电阻焊、摩擦焊、 对焊等等。这些方法有各自的优势和局限性。与其它焊接技术比较，平面扩散 焊接技术是一种精密的固相焊接方法，特别适合物理化学性能差别大、互不溶 解、相互问易产生脆性相的异种金属材料( 4 j 。 1 1 1 扩散焊接 扩散焊接属于压焊的一种，是将两个被焊部件表面相互接触，当距离达到 被焊材料的原子作用距离时，接触面的电子首先相互发生作用和转移，形成离 子键、金属键和共价键；在一定条件下进一步发生原子的相互扩散及再结晶等 过程，形成牢固的焊接接头。扩散焊接的种类很多，如图1 1 所示，根据是否有 中问层，可分为直接扩散焊接和添加中间层的扩散焊接；根据是否产生液相， 可分为固相扩散焊接和液相扩散焊接；从焊接环境上，还可以分为真空扩散焊 接和保护气氛环境下的扩散焊接p 】。除此之外，还有溶剂保护扩散焊接、超塑成 武汉理一i ：人学硕十学位论文 形扩散焊接、烧结扩散焊接等。 气体保护扩散焊接ll 真空扩散焊ll 溶剂保护扩散焊接 超塑成形扩散焊接if 液相扩散焊接il 周相扩散焊接ii 烧结扩散焊接 图1 1 扩散焊接分类简图 f i g 1 - 1c l a s s i f yo f d i f f u s i o nw e l d i n g 扩散焊接具有以下优剧6 引。 ( 1 ) 焊接接头的质量好，接头的显微组织和性能与基体金属接近或相同； ( 2 ) 焊接时所加压力小，焊件多数是整体加热，随炉冷却，焊后变形小； ( 3 ) 可焊接其它方法难以焊接的材料，特别是互不溶解或熔焊时会产生金属 间化合物的异种金属材料； ( 4 ) 焊接工艺参数可精确控制，操作过程简单； ( 5 ) 焊接接头的成分介于两种基体金属之间。 1 1 2 扩散焊接的物理化学过程 如图1 2 所示，一般认为扩散焊接形成焊接接头大致要经过以下三个过程【9 l 。 ( 1 ) 物理接触的形成阶段：焊件表面状态对焊接过程及焊接质量有很大的影 响。表面氧化膜的存在会直接阻碍金属之间的接触，从而抑制冶金焊接的形成。 因此需要在焊接前和焊接过程中将存在于界面的氧化膜去除或降到最低，同时 保证焊接气氛为惰性或高真空，以防止焊接过程中再次发生氧化。很显然，材 料表面精度越高，扩散焊所需的压力和时间就越小。在材料表面准备过程中， 应尽量提高材料表面的精度。被焊材料的原子依靠塑性变形，在整个接触面上 2 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 相互接近到能够引起物理作用的距离。 ( 2 ) 原子表面激活相互作用阶段：随着焊接温度的升高，接触表面的激活， 形成激活中心，然后两个被焊表面之间产生物理和化学的相互作用，最后形成 化学键。 ( 3 ) 原子扩散阶段：也就是金属材料通过结合面向周围进行扩散的阶段。在 焊接异种金属时，第三阶段结束的标志是在接头处产生再结晶过程，形成共同 晶粒。异种金属焊接时，是否要限制第三阶段的扩散过程，取决于扩散区的性 质和产生的新相性质。 图1 2 扩散焊接过程的三阶段理论 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et h r e e s t a g ew e l d i n gp r o c e s s 对于大多数异种金属材料而言，在焊接过程的第三阶段，由于界面两侧存 在着某些元素和空位的浓度梯度，在浓度差的条件下，它们( 包括元素原子和空 位) 将通过结合面向周围扩散，在接触处产生再结晶和形成脆性化合物，或因相 与相之间的反应扩散而形成各种新相，往往使第二阶段已得到的强度又重新下 降。如果由于扩散而使焊缝和近焊缝区的化学成分向有利方向变化，此阶段也 能继续提高焊接接头的强度i l 。 3 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 1 3 扩散焊接的影响因素 在异种金属材料的扩散焊接中，扩散焊接接头的质量决定了其可行性。焊 接接头的质量与接头元素的扩散行为有关，其扩散进行的程度和生成物的性质 和接头性能密切相关，直接影响扩散焊接的质量。这些在特定的扩散焊接工艺 下完成。扩散焊接的影响因素主要有：焊接温度、焊接压力、保温时间、环境 气氛、中间层和表面状态等。 ( 1 ) 焊接温度是扩散焊接中最重要的工艺参数。焊接温度越高，扩散系数越 大，它不仅决定了焊件之间的界面反应能否发生，而且还决定反应进行的速度。 提高焊接温度可加速接触面上材料原子问的相互扩散，同时也使金属材料具有 一定的塑性形变程度，促使表面变形使相互接触更紧密，但是加热温度受到被 焊材料的冶金物理特性的严格限制，如再结晶、低熔共晶和金属间化合物的生 成等。因此异种材料焊接的焊接温度应根据具体情况而定，焊接温度大都在 o 5 0 8 t m 【1 1 】。在容易形成脆性的金属问化合物时，应控制焊接温度，以保证得 到优良接头。 ( 2 ) 焊接压力的主要作用是保证焊接面之间紧密接触，使界面区域原子激 活，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失，防止孔洞的产生。压力可以破除接触 表面的氧化膜，使焊接面达到所需要的清洁度，对于易生成脆性的金属间化合 物的异种金属材料而言，焊接温度对扩散接头质量的影响非常大，因此可以考 虑在一定的范围内降低焊接温度，增大焊接压力，提高焊接接头性斛1 2 】。 ( 3 ) 保温时间主要决定原子扩散和界面反应的进程，对被焊金属的蠕变变形 也有影响。原子扩散的平均距离与扩散时间的平方根成j 下比，焊接时间不同， 所形成的界面产物和界面结构不同。在一定的温度和压力下，焊接时间应越短 越好，只要能保证紧密的接触和足够的扩散即可，过分的扩散反而会在焊缝中 形成空洞，许多情况下还会生成脆性的金属问化合物，应控制扩散时间以控制 扩散层的厚度，使之不影响接头性能。 ( 4 ) 扩散焊接可在真空、惰性气体或大气气氛环境下进行。一般来说，真空 扩散焊接的接头强度高于在惰性气体和大气气氛中焊接的接头强度。计算和实 验结果表吲5 , 5 5 j ，真空室内的真空度在常用的规范范围内( o 3 3 1 3 3 x 1 0 一e a ) ，就 足以保证焊接表面达到一定的清洁度，实现可靠焊接。 ( 5 ) 中问层材料对扩散焊接的性能非常重要，除了能够无限互溶的材料以 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 外，异种材料、陶瓷、金属间化合物等材料多采用中间央层来进行扩散焊接。 中间层材料不仅在固相扩散焊接时使用，在液相扩散焊接中也比较广泛使用， 扩散焊接中使用中间层的作用主要有以下几点【1 3 】： a 】改善表面接触，降低焊接件表面的质量要求和焊接压力； b ) 改善扩散条件，降低焊接温度和短焊接时间： c ) 改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物或其它共晶组织； d ) 避免或减少因被焊接材料之间物理化学性能差异过大所引起的负面影 响，如残余应力过大或扩散空洞等。 因此，为了改善扩散焊接接头的性能，中间层材料的选用原则主要有以下 几点【1 4 , 1 5 】： a ) 一般采用硬度小的材料，易发生塑性变形，促进焊接界面的紧密接触和 减少内应力； b ) 与母材具有一定相溶性，不与母材产生不良的冶金反应； c ) 不会在焊接过程引起电化学腐蚀问题。 1 1 4 扩散焊接接头的形成机理 到目前为止，还没有一个理论能准确地预测和解释在扩散焊接条件下中间 相、新相的形成和长大。只有一个逐渐趋于一致的共识，就是中间相的形成和 生长过程的初级阶段包括以下几个过程：接触金属以不同的扩散速度进行互扩 散，在晶格缺陷周围形成过饱和固溶体，在含扩散元素浓度高的缺陷区域形成 新相晶核；中间相晶核沿接头界面横向生长，长大的中间相焊接成整体，并转 向成j 下常的纵向生长；当生长到一定厚度时，开始在其界面上形成第二种中间 相晶核；第一种中间相层进一步长大，第二种中间相横向生长，形成焊接整体【1 6 1 。 为了探明异种材料扩散焊接时中间相的形成机理，首先必须了解界面刚出 现中间相新相时的互扩散规律。与液态相变不同，固态相变很少发生均质形核， 而发生以杂质质点、晶界和位错作为形核质点的催化形核。大量研究表吲1 6 】， 新相形成的机率取决于动力学因素、扩散原子的状态、热力学驱动力、反应温 度和接触状态等等。 扩散焊接接头的形成机理，目前存在的各种学说，这些学说所论证的接头 形成过程及其机理具有不同程度的可信性。主要有【l7 】薄膜学说、再结晶学说、 5 武汉理1 ：人学硕十学位论文 能量学说、位错学说和扩散学说。 1 1 4 1 薄膜学说 薄膜学说学者认为对所有的金属与合金，只要两个洁净的表面相互接近到 原子问力的作用半径以内，就具有粘合能力。不同金属具有不同的可焊性问题， 是由于其表面上出现的薄膜妨碍金属和合金的焊接。金属和合金的表面薄膜， 可能是硬的、脆性的，也可能是韧性的、塑性的。当需要焊接的会属进行冷塑 性变形时，硬的和脆的表面薄膜就会破碎，使洁净的金属表面裸露出来。当两 个洁净的金属表面相互接近到原子间力的作用距离以内时，就会牢牢焊接在一 起。但是，当表面薄膜是韧性和塑性的，在变形的时候，塑性表面薄膜随同金 属一起漫流开来，就可能妨碍焊接接头的形成。如果使金属的变形按给定的方 式进行，则可以使表面薄膜所起的作用降低到次要的因素。 1 1 4 2 再结晶学说 再结晶学说学者认为再结晶是在固态下形成焊接接头的主要因素。在高温 条件下，伴随变形产生的金属性能的变化使焊接件中的原子在晶格中重新排列， 在焊接件的界面上形成同属于两个焊接件的共有晶粒，就使两个接触的焊接件 焊接在一起。 1 1 4 3 能量学说 能量学说学者认为对于某种金属或合金来说，必须使焊件接触处的原子或 离子具有一定的能量级。其数值就是金属粘合的能量界限。达到了能量界限时， 原子键的方向性减弱，在两个表面的原子之间会形成金属键。两个相互接触的 金属界面消失。使金属间产生粘合所需要的能量与两种被焊金属塑性变形时的 协调程度有关，协调程度越低，需要的能量就越高。加热和弹性变形可以提高 原子的能量，能够促使金属接近于结合的状态。 1 1 4 4 位错学说 位错学说学者认为当两种被焊金属产生协调致的塑性变形时，位错都向 着金属的接触表面迁移，使氧化膜破除并形成仅一个原子问距的小台阶。一方 6 武汉理+ 1 ：人学硕十学位论文 面，金属接触表面出现位错可看作是塑性变形阻力的减小，有利于金属的焊接； 另一方面，金属接触表面出现位错会增加表面的起伏不平，接触表面的塑性变 形要比金属内部的塑性变形大得多。焊接过程是由于接触区金属的塑性流动的 结果。 1 1 4 5 扩散学说 扩散学说学者认为焊接件接触面之间形成优质的接头是原子向焊接件内部 相互渗透( 转移) 的结果。在金属表面存在自由原子，它们的金属键并不饱和( 有 空配位) ，因此任何原子或分子，一旦进入了原子间力的作用范围内，就会被这 种键俘获。与平衡系统的原子相比，具有过多能量的自由原子结合就会释放能 量。在液体内部，可以看见这种自行的结合，而固体焊接却要困难得多。在固 体焊接时，为了使焊接件的原子相互接近，需要消耗大量的能量和采取复杂的 工艺措施。当焊接件接近到能使原子间产生强烈作用时，近距离的原子之间就 会产生作用力，使原子间形成结合，其牢固程度同金属内部的结合一样。理想 表面接近，不需要消耗能量，能够自行产生足以形成焊接的金属键，而且这种 接头的强度并不低于完好金属的强度。 1 2 钛合金与铜合金扩散焊接的研究现状 1 2 1 钛合金与铜合金的焊接性 钛合金具有高的比强度、优良的耐热、耐腐蚀性及断裂韧性等优点，是航 空、航天、医疗等许多行业急需的材州2 5 2 7 , s 2 , 5 7 ，但价格昂贵，限制了其进一步 推广应用。铜及铜合金具有优良的导电性、导热性、耐蚀性、延展性及一定的 强度等特点，在电气、电子、化工、交通及航天、兵器等工业中获得了广泛的 应用。铜合金与钛合金之间优质的扩散焊接，不仅具有学术价值，更是为相关 的工业生产开辟了切实可行的道路。但是c u 元素与t i 元素的晶格类型、熔点、 热导率、线膨胀系数、以及化学性质相差悬殊导致两者的焊接难度很大【2 j 。 为了研究钛和铜的焊接性，引入了钛铜系相图，该相图属于有限固溶加共 晶转变型相图。如图1 3 所示，纯钛p 相变温度为8 8 2 0 c ，铜降低了钛的耐p 相变温度：在7 9 8 0 c 和7 1 w t c u 处发生共析反应p _ a + c u t i 2 ；在共析温度，a 7 武汉理f ：人学硕十学位论文 固溶体中溶解度为2 1 w t c u ，而随着温度的降低，铜在a 固溶体中溶解度很快 变小，在6 0 0 0 c 时，铜在u 固溶体中溶解度为0 5 5 w t ，在室温时铜在a 固溶 体中溶解度更小。在8 8 5 0 c 和6 6 w t c u 处发生共晶反应l _ c u 3 t i 2 + c u 4 t i 。在 9 5 5 0 c 和4 3 w t c u 处发生共晶反应l 广斗c u t i 2 + c u t i 。实际反应产物还有c u 4 t i 3 、 c u 2 t i 、c u t t i 3 、c u 7 t i e ，c u 4 t i 3 等化合物。由相图分析可知。c u 与t i 相互之间 的溶解度不大，却能形成c u t i 2 、c u t i 、c u 3 t i 2 、c u 5 t i 、c u 4 t i 等多种金属间化 合物和p t i + c u t i 2 ( 熔点10 0 3 0 c ) 、c u t i 2 + c u t i ( 熔点9 6 0 0 c ) 、c u 2 t i + e u 3 t i ( 熔点 8 6 0 0 c ) 等多种低熔点共晶体。焊接过程形成的多种脆性相造成t i 与c u 异种金属 焊接困难。 其次，铜合金和钛合金的热膨胀系数相差较大。当其焊接接头从焊接温度 冷却至室温时，由于二者热收缩的不匹配性、不均匀性，将导致材料的非协调 应变或塑性变形，焊后就会在焊接接头中产生残余应力。残余应力可能直接导 致焊接裂纹，或与外加载荷相叠加，引起脆性生成物的断裂。 p 差 & 星 图1 3 钛铜二元相图 f i g 1 3p h a s ed i a g r a mo ft i c ub i n a r ys y s t e m 钛合金与铜合会扩散焊接接头的残余应力有限元模拟计算，研究表l t f j 1 0 , 5 s ， 由于热膨胀系数的差异，扩散焊接接头存在残余热应力会引起接头的形变。在 临近焊接接头径向边缘区域，残余应力逐渐由压应力转变为拉应力，尤其是边 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 缘处的拉应力较大。如果该拉应力大于接头的结合强度，极有可能引起边缘处 焊接界面的开裂，甚至造成整个焊接接头的破坏。 采取施加外部机械力、控制升降温速率、降低焊接温度和减少焊接时间等 措施，可以缓解焊接接头的残余应力，保证焊接接头的平整性和界面结构的完 整。但是各种被选焊材之间热膨胀系数差异的客观存在，过渡层之间的残余应 力以及由于残余应力造成的形变更加明显。为了减少变形量，以往的文献【1 4 】采 用增加焊接过程的压力束缚焊接体的形变，但这样会进一步增加焊接体的残余 应力，增大了钛合金与铜合金焊接体在冷却后的开裂风险。 因此，焊接工艺的研究非常关键，为了减少t i 合金与c u 合金扩散焊接界 面处的残余应力，采取的措施主要有【1 4 】： ( 1 ) 优化接头结构，尽量采用对称结构的接头进行扩散焊接； ( 2 ) 采用塑形比较好的复合中间层进行扩散焊接； ( 3 ) 在冷却过程中，施加焊接压力有助于减少扩散焊接接头的残余应力； ( 4 ) 采用慢的冷却速度或在退火温度保温一段时间； ( 5 ) 合理设计界面形貌能减少残余应力。 综上所述：钛合金与铜合金焊接界面的形成是由于钛合金与铜合金之间发 生反应，形成多种脆性金属间化合物，如c u t i 、c u 2 t i 、c u 4 t i 等，脆性金属间 化合物是钛合金与铜合金扩散焊接的主要障碍。 1 2 2 钛合金与铜合金直接焊接的研究现状 不同体系的钛合金和铜合金的直接焊接研究已有很多报道【1 , 1 0 , 1 3 , 2 1 】，文献 1 】 通过直接扩散焊接试验获得t i 一6 a i 4 v z q s n l 0 1 0 焊接接头，在工艺参数 ( t = 8 5 0 0 c ，p = 1 0 m p a ，t = 3 0 m i n ) 下获得的抗拉强度达8 4 m p a 。文献 1 4 】采用直接 扩散焊接的方法获得t i 6 a l _ 4 v q a l l o 3 1 5 焊接接头，其抗拉强度随着焊接温 度的升高和保温时间的延长而增大，达到极大值进一步升高温度延长保温时间 反而下降，t i 6 a 1 4 v q a l1 0 - 3 1 5 焊接接头在工艺参数( t = 8 5 0 0 c ，p = 1 0 m p a ， t - - 6 0 m i n ) 下接头达到最大抗拉强度1 7 9 m p a 。文献【5 】通过直接扩散焊接试验获得 t 2 t a 2 获得接头，其焊接工艺参数为：t = 8 1 0 0 c ，p = 5 m p a ，t = - 1 0 m i n ，未表征 其抗拉强度。前苏联巴顿焊接研究所对钛合金b t l 与无氧铜m b 的扩散连接进 行了研刭l i 】，其参数为：t = 8 5 0 0 c ，p = 5 m p a ，t = 1 0 r a i n ，焊接接头的抗拉强度较 9 武汉理t ：人学硕士学位论文 低。 钛合盒和铜合金的焊接机理研究表明【2 2 1 ，当保温时间对界面厚度影响不大， 但对扩散反应层组织结构影响很大。当在8 5 0 0 c 和9 0 0 0 c 时铜合会和钛合金焊 接接头均有低熔点的液相沿界面溢出。由于液相的出现，c u 元素与t i 元素的相 互扩散比较充分。在扩散焊接温度为8 5 0 0 c ，保温时间为3 0 m i n 时，在界面生成 c u 3 t i 2 ，当扩散焊接温度为9 0 0 0 c ，保温时间为3 0 m i n 时，在靠近c u 侧先生成 c u t i ，并有少量c u t i 3 生成。当保温时间为6 0 m i n 时，生成大量的c u t i 3 ，在原 铜箔中心处仍有少量c u t i ，当保温时间为1 2 0 m i n 时，无新相产生。文献 2 2 1 认 为，系统中生成化合物种类及其先后顺序与其生成焓有关，c u t i 的生成焓最低， c u t i 3 的生成焓次之，因此c u t i 较c u t i 3 更易生成。 综上所述，采用扩散焊接的方法能够实现钛合金和铜合金的直接扩散焊接。 钛合金和铜合金焊接接头的抗拉强度受铜合金和钛合金自身体系的影响非常明 显。钛合金与铜合金的扩散反应层的组织结构、反应相的生成规律也已有报道， 但针对不同体系钛合金与铜合金之间扩散焊接仍存在差异。 1 2 3 添加中间层钛合金与铜合金扩散焊接的研究现状 r a l l y b 2 3 】采用n b 1 z r 作为中间层扩散焊接c u 与t i 6 a 1 4 v 2 s n ，通过差 动热膨胀央具加压方式获得c u n b 1 z r t i 6 a 1 4 v 2 s n 焊接接头。文献 1 】使用n i 、 c u 、n i c u 作为t i 6 a 1 4 v 和z q s n l 0 1 0 的中间层获得了抗拉强度大大改善的焊 接接头。在t = 8 3 0 0 c ，p = l o m p a ，t = 3 0 m i n 工艺条件下，t i 6 a i - 4 v n i z q s n l 0 1 0 焊接接头抗拉强度达到极大值，为1 5 5 m p a 。在t = 8 5 0 0 c ，p = 1 0 m p a ，t = 3 0 m i n 工艺条件下，t i 6 a 1 4 v c u z q s n l 0 1 0 焊接接头抗拉强度达到极大值，为1 9 2 m p a ，在t = 8 5 0 0 c ，p = 1 0 m p a ，t = 2 0 m i n 工艺条件下，t i 一6 a i - 4 v n i c u z q s n1 0 1 0 焊接接头的抗拉强度达到极大值，与t i 6 a i - 4 v n i z q s n l 0 1 0 焊接接头抗拉强 度相当，为1 5 5 8 m p a 。文献【5 】对铜合金( t 2 ) 与钛合金( t c 2 ) 加入中间层钼和铌进 行扩散焊接进行研究，采用喷涂法加入钼中间层，在t - - - 9 8 0 0 c ，p = 3 4 m p a ，t = 3 0 0 m i n 工艺条件下，获得t 2 m o t c 2 焊接接头抗拉强度达到极大值，2 1 5 6 m p a 。 采用0 1 m m 铌箔片作为中问层进行扩散焊接，在 i - - 9 8 0 0 c ，p = 3 4 m p a ，t = 3 0 0 m i n 工艺条件下，获得t 2 n b 厂r c 2 焊接接头抗拉强度达到极大值，为2 6 6 6 m p a 。 吉林工业大学赵熹华等研究了添加n i 、c u 、n i c u 等中问层对钛合金t c 8 1 0 武汉理i ：人学硕十学位论文 和铜合金z q s n l o 1 0 扩散焊接接头的接合区界面和组织形貌的影响。采用n i 、 n i c u 复合层作为中间层时，镍在t c 8 侧扩散进程缓慢且不充分，在t c 8 n i z q s n 1 0 1 0 、t c 8 n i c u z q s n l 0 1 0 焊接接头上均有宏观裂纹。采用c u 作为中间层时， t c 8 c u z q s n l 0 1 0 焊接接头具有较佳的接头组织和断口形貌。吉林大学宋敏霞 【1 】也使用n i 、c u 、n i c u 作为t i 6 a i - 4 v z q s n l 0 - 1 0 的中间层，获得了高强度的 焊接接头。分析认为，t i 6 a 1 - 4 v n i z q s n l 0 1 0 接头强度主要是受t i - 6 a l - 4 v 小i 界面生成大量金属间化合物n i 3 t i 的影响。采用c u 作为中问层时，t i - 6 a 1 4 v c u z q s n l 0 1 0 焊接接头断裂均沿t i 6 a i 4 v c u 界面发生，断口上主要存在金属 间化合物c u 3 t i 2 和c u t i 。采用n i c u 作为中间层时，t i 一6 a 1 - 4 v n i c u z q s n l 0 1 0 焊接接头断裂沿t i 6 a i 4 v n i 界面发生，断口上主要存在金属问化合物n i t i 和 n i 3 t i 。杨飚【1 3 】等人采用n i 作为t i 6 a 1 4 v q a l l 0 3 1 5 扩散焊接的中间层，研 究发现，t i 6 a i 4 v n i q a l l 0 - 3 一1 5 扩散焊接接头的断裂均发生在t i - 6 a l - 4 ，n i 反应生成的金属间化合物带，其中n i t i 、n i 3 t i 是影响接头性能的主要因素，所 以断裂主要在它的基体上发生。 从以上的分析可以看出，钛合金与铜合金的扩散焊接要避免在焊接接头界 面形成脆性的金属间化合物，加入中间层对提高铜合金和钛合金的焊接接头抗 拉强度有很大帮助。因此，加入适当中间层，控制焊接处组织、结构和厚度是 必要的。但目前对含中间层的钛合金和铜合金扩散焊接中的金属阳j 化合物形成 规律以及改善其性能的研究很少，有待于迸一步深入。 1 3 本文的研究目的及其研究内容 鉴于前面国内外的研究，钛合金和铜合金焊接接头焊接性能受其自身体系 的影响很明显。因此，对于选定的钛合金，铜合金体系进行扩散焊接，对其直 接焊接接头性能和机理进行详细的研究。目前存在的主要问题是：钛合金与铜 合金直接焊接时，由于两种材料的基体元素钛与铜的相互溶解度小，在焊缝中 易形成大量的金属问化合物。为了缓和因热膨胀系数不同引起的残余应力，减 少脆性金属阃化合物的生成，采用在t c 4 o f c 扩散焊接时加入中间层的方法， 可以改善其焊接接头的力学性能。 武汉理i ：大学硕士学位论文 1 3 1 中间层的选择依据 本课题采用了加中问层金属镍以及不锈钢的方法，来解决由于脆性金属间 化合物而导致接头脆断、强度不高的问题。 金属镍作为中间层的依据： ( 1 ) 由n i t i 二元相图知，钛与镍会形成n i t i 2 、n i t i 和n i 3 t i 等金属间化合 物，但当其含量较低时具有一定的塑性，镍可以阻碍t i c u 脆性金属问化合物的 形成。 ( 2 ) 镍的熔点为1 4 5 5 0 c ，介于铜熔点1 0 8 4 8 0 c 和钛熔点1 7 2 5 0 c 之问( t c 4 合金在1 6 6 0 0 c 左右) 【l9 1 。由于镍的塑性较好，线膨胀系数介于o f c 与t c 4 之间， 所以扩散焊接时容易通过塑性变形实现焊接表面的紧密接触，为金属原子的扩 散运动准备必要的条件。 ( 3 ) 镍与铜的晶格类型均为面心立方晶格，镍和铜能够形成无限固溶体，同 时还能被固溶强化【2 4 1 ，故能够形成强度较大的焊接接兴1 1 。 0 c r l 8 n i 9 作为中间层的依据： ( 1 ) 国内外有关于钛与不锈钢扩散焊接的研究【2 0 2 6 1 ，涉及的扩散焊方法主要 有恒温恒压扩散焊和相变热循环扩散焊接。钛与不锈钢进行直接扩散焊接时， 由于母材组元的相互扩散和迁移，会在结合面处形成一个金属间化合物和碳化 物的薄层。工业纯钛与3 0 4 不锈钢在固态下的直接扩散焊接试验结果表吲2 8 3 0 】， 结合强度主要由类型与尺寸各异的金属间化合物和界面的应变所决定，在焊接 接头处形成的金属问化合物有f e t i 、f e 2 t i 和。相等，虽然也形成了金属问化合 物层，但是这些金属间化合物物理性能优良，抗拉强度大都超过1 0 0 m p a 2 6 】。 ( 2 ) 对钢与铜合金进行了真空扩散焊试验【1 8 3 1 。3 5 , 4 0 l 获得了高质量的焊接接 头。文献 3 6 】在8 0 0 - - 8 5 0 0 c ，3 m p a ，1 5 - 3 0 r a i n 的工艺参数下，研究了铜与4 5 钢 的扩散焊接，其接头抗拉强度可达1 7 4 3 1 9 8 5 m p a 。 1 3 2 本论文的研究内容 本论文通过真空扩散焊接方法获得t c 4 和o f c