熱壓擴散焊接icu層狀復合材料的微觀結構與性能

隨著現代科學技術的發展，特別是航空航天、電子、機械、化工等領域的發展，對材料的要求越來越高。單一材料的性能不能滿足生產和科學技術發展的要求。Ti具有耐磨耐蝕性好、比強度高、密度小等優點被應用于航空航天、化工、石油等行業;Cu具有優良的導電導熱性、延展性,在工業生產中得到廣泛的應用。把Ti、Cu異相金屬相互復合制備出Ti/Cu復合材料,使其兼具Ti、Cu各自性能的優點,對材料性能的最大化利用及其應用領域的拓展具有極大的意義。爆炸復合法因具有工藝簡單、生產靈活,適合任何異種金屬間的結合而被廣泛用于Ti/Cu、Ti/鋼、Cu/A等復合材料的生產。但爆炸復合法存在著操作條件差、生產成本高、對環境污染大等不足。真空熱壓擴散焊接由于焊接接頭的機械強度、熱穩定性、密封性和耐腐蝕性都能滿足重要構件的技術要求,越來越多的用于異種金屬的焊接。本文利用真空熱壓擴散焊接法制備了Ti/Cu復合材料,研究了焊接過程中保溫時間對試樣結合界面組織、電阻率及其力學性能的影響。1真空熱壓擴散爐復合非織造材料試驗采用尺寸同為2mm×70mm×70mm的工業純Ti(Ti>99.6%)和工業純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片放入真空熱壓擴散爐中進行復合,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。在焊接過程中,保持焊接溫度(800℃)、焊接壓力(3.5MPa)不變,保溫時間分別為20、40、60、80、100min。從不同保溫時間條件下的Ti/Cu復合材料取樣,進行鑲樣、拋光處理,采用配有能譜儀(EDS)的MLA650掃描電子顯微鏡(SEM)觀察界面區的微觀結構及元素成分,利用四電子探針儀(如圖1所示)測量界面電阻率,并使用AG-IS萬能材料試驗機測量材料的抗彎曲性能,分析保溫時間對Ti/Cu復合材料界面組織及其性能的影響。2試驗結果與分析2.1擴散層厚度及保溫時間的變化圖2為焊接溫度800℃、焊接壓力3.5MPa、不同保溫時間的Ti/Cu復合材料的界面微觀組織形貌。由圖2可以看出,不同保溫時間下Ti、Cu間均形成了不同厚度的擴散層,說明二者發生了擴散或遷移,實現了Ti、Cu的冶金結合。同時可以看到,隨著保溫時間增加,界面亞層數并未增加或減少,均只含有4個不同的亞層,可見亞層的形成只與焊接溫度有關,保溫時間增加僅僅影響亞層的厚度。保溫時間越長,Ti、Cu原子擴散時間越長,增加了原子的擴散距離,隨著保溫時間增加,界面擴散層總厚度及各亞層厚度逐漸增大,擴散層總厚度由20min的33.134μm增加到100min的66.443μm,擴散層總厚度與保溫時間呈二次函數關系,滿足固相擴散過程中擴散層厚度與保溫時間的關系式χ2=BDt,式中χ為擴散層厚度、t為保溫時間、B為常數、D為擴散系數,在本文中保持不變。由于不同保溫時間下均生成相同的4個亞層,為了分析各亞層金屬間化合物的物相,只對保溫40min的試樣進行EDS分析,各點的位置圖如圖2(b)所示,擴散反應層各亞層的EDS測試結果見表1。由圖2(b)及表1可以看出,從Cu側到Ti側,Cu的含量逐漸減少,Ti的含量逐漸增加。根據Ti-Cu二元相圖及Ti、Cu原子分數可以推算出,1~7點成分依次為: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的晶體結構為密排六方晶胞、Cu的晶體結構為面心晶胞,Cu向Ti擴散時要克服的面心晶胞勢壘遠小于Ti向Cu擴散時所需克服的密排六方晶胞勢壘;同時Ti原子尺寸大于Cu原子尺寸,使得Ti原子更不易向Cu發生擴散。因此,Cu原子向Ti原子擴散的激活能小于Ti原子向Cu原子擴散的激活能,即擴散時Cu原子克服勢壘向Ti中發生躍遷的原子數及擴散速度均大于Ti原子克服勢壘向Cu中發生躍遷的原子數及擴散速度。表現為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保溫時間及固溶度圖3為Ti/Cu復合材料電阻率與保溫時間的關系圖。從圖3中可以看出,隨著保溫時間的增加,Ti/Cu復合材料的電阻率先減小后增大。影響電阻率的因素有兩點:(1)隨著保溫時間的增加,Cu在Ti基體中的固溶度越大,二者的熱膨脹系數差會隨之減小,冷卻過程中拉應力產生的裂紋會越小,更易于電子的傳輸;(2)隨著保溫時間的增加,界面擴散層厚度會逐漸增加,即硬脆相厚度增加,電子傳輸過程中在硬脆相中的運動路徑就越長,其傳輸所受的阻力就越大,電子運動就會越困難,則導電性能下降。Ti/Cu復合材料電阻率與保溫時間的變化趨勢可能是由這兩個因素共同作用的結果,并在保溫時間為60min時電阻率最低為3.634×10-8Ω·m。相比純Ti電阻率4.2×10-7Ω·m,Ti/Cu復合材料電阻率有較大幅度的降低,僅為純Ti的8.65%,說明中間Cu層的加入可以改善電勢的分布,提高材料的導電性。2.3抗彎曲性能分析圖4是Ti/Cu復合材料試樣三點彎曲后的照片及其三點彎曲性能對比測試結果。從圖4(a)可以看出,試樣界面均未出現斷裂的情況,說明界面結合狀況好。由圖4(b)可知,試樣的抗彎曲強度呈增大的趨勢,即隨著保溫時間的增加,Ti/Cu復合材料的抗彎曲性能越好。結合圖2可知,隨著保溫時間的增加,Ti、Cu原子的互擴散距離增大導致擴散層厚度增加,擴散層中的硬脆相厚度隨之增加,試樣的抗彎曲性能越好;同時隨著保溫時間的增加,Cu、Ti原子擴散到Ti基體、Cu基體的量及深度逐漸增加,由于固溶強化作用,固溶體的強度高于各組元,從而使得Ti/Cu復合材料的整體的抗彎曲性能增加。由此可以得出,Ti/Cu復合材料具有界面結合及良好的力學協同性能,且隨著保溫時間的增加,試樣抗彎曲性能逐漸增大。3ti/cu復合材料的結構1)焊接溫度800℃、壓力3.5MPa一定時,隨著保溫時間的增加,Ti/Cu復合材料界面擴散層逐漸增厚,且均生成4個亞層,各亞層的化合物依次為Cu4Ti、Cu4Ti3、CuTi、CuTi2