保温时间对钛-铜扩散连接接头界面组织的影响

柏洪武，刘蒙恩，白莉 ，王怀建

（1.重庆工业职业技术学院 机械工程学院，重庆 401120；2.重庆工业职业技术学院 车辆工程学院，重庆 401120）

0 前言

钛-铜异种材料连接形成的混合构件在工业中有着重要的应用。比如，在制作钛靶材时，需要将钛靶与铜制背板连接起来。在核能发电站的热交换器制作过程中，也需要将耐腐蚀的钛制部件与传热性能优良的铜制部件连接起来[1]。

但是，尽管钛-铜复合构件有着广泛的应用，钛-铜之间的连接却不易实现。一方面，钛-铜之间的物理性能和力学性能均存在显著的差异，二者熔点相差近600℃，线膨胀系数相差近3倍；另一方面，二者间相互固溶度很小，且在高温下极易形成一系列的脆性金属间化合物。当采用常规的焊接方法，如TIG焊来连接钛-铜异种金属时，由于母材熔融状态下剧烈的冶金反应和复杂的温度场、应力场分布，在接头处极易出现大量的脆性相和明显的应力集中，这使得常规的熔融焊接方法很难实现钛-铜异种金属的连接[2]。相比之下，固态的扩散连接可以有效地避免熔融焊接过程中出现的问题。在扩散连接过程中，母材均保持固态，其界面反应速度要远低于熔焊过程中的冶金反应，因而界面组织更容易控制。此外，扩散连接温度场更为均匀，残余应力更小。由此可见，扩散连接更适用于钛-铜的异种材料连接[3]。

在此采用Gleeble1500D热模拟试验机对纯钛和纯铜进行了扩散连接。通过扫描电子显微镜对接头的界面组织进行了微观表征，研究接头界面演变规律，为接头性能的控制提供指导。

1 实验材料及方法

实验材料采用直径均为12 mm的热轧态纯钛和纯铜棒材。在热压连接实验前，实验棒材均用线切割制成30 mm长度小样。待焊表面采用SiC砂纸打磨并抛光。连接前所有试样均在丙酮中超声波清洗。在热模拟试验机上进行热压连接。升温速度为5℃/s，连接温度为850℃，连接压力为10 MPa，焊后试样直接冷却至室温。连接时间分别为30 s、60 s和90 s。

焊后试样经线切割纵向剖开，研磨并抛光，在扫描电镜下以BSE模式检测界面物相组成。采用Photoshop图像处理软件采集和统计接头反应层厚度。

2 实验结果与讨论

连接时间分别为30 s，60 s和90 s时接头的微观组织如图1所示。由图1a可知，当连接时间为30 s时，在钛-铜界面上没有观察到反应层，但出现离散的显微孔洞。当连接时间增加到60 s，在钛-铜界面上，没有显微孔洞和不连续等连接缺陷，形成了完整的接头。另外，界面上发生了明显的扩散反应。在靠近钛基体一侧，出现了明显有别于基体衬度，说明该区域发生了相互扩散。相应的能谱分析显示，该区域 w（Ti）含量约为 94%，w（Cu）含量约为6%。根据Ti-Cu二元相图，这是β-Ti成分。但是，室温下Cu在Ti中的固溶度要远小于测量值。在本实验中，之所以会存在室温下Cu合金化的β-Ti，主要是因为Gleeble热模拟试验机在实验结束后的冷却速度极快，过饱和的β-Ti来不及发生共析转变，其β-Ti形态得以保留到室温。在靠近铜基体一侧，形成了一系列的反应层[4]。

图1 不同连接时间的接头微观组织Fig.1 Interfacial microstructure of the joint bonded

当扩散连接时间进一步延长至90 s，接头界面的微观组织与60 s时的接头显微组织很相似。在钛基体一侧形成了β-Ti固溶体，其形成机理与连接时间为60 s时一致，但厚度明显增加，说明随着时间的延长，Cu向钛基体发生了更为显著的扩散。同样，在铜基体一侧，也形成了多个反应层。与连接时间为60 s时相比，各个反应层的厚度都明显增加。并且在连接时间为90 s时，还产生了另外一个反应层。

图1中相应各点的能谱分析结果如表1所示。通过能谱分析得到的各点含量，并结合Ti-Cu二元合金相图，可以推断各反应层的物相。由表1可知，当连接时间为60 s时，在接头界面依次生成了Ti2Cu，TiCu和Ti3Cu4三种金属间化合物。当连接时间增加至90 s时，在靠近Cu基体一侧明显多出一个反应层。根据能谱分析结果，在这一连接时间下，接头处分别生成了 Ti2Cu，TiCu，Ti2Cu3+Ti3Cu4的混合层以及Cu4Ti相。在钛-铜扩散连接界面，金属间化合物的生成是通过界面元素的反应扩散来实现的。所以，在界面首先形成Ti2Cu相，Ti2Cu中的Ti继续向Cu中扩散，形成TiCu相，通过Ti在TiCu与Cu之间的扩散形成Ti3Cu4+Ti2Cu3相，最后形成Cu4Ti相。

表1 图1中各点能谱分析结果Tab.1 EDS results of the analyzed areas in Fig.1%

图2 不同连接时间下接头的反应层厚度Fig.2 Total thickness of the reaction layer of the joint bonded for different time

反应层厚度随连接时间的变化曲线如图2所示，随着连接时间的延长，反应层厚度不断增加。当连接时间为60 s时，反应层的总厚度仅为2 μm。而当连接时间增加到90 s时，反应层厚度增加到5 μm。结合图1c和Ti-Cu二元合金相图可以看出，在连接时间为90 s时，金属间化合物的形核过程已经完成。而当形核完成，高温条件下，在Ti浓度梯度的驱动下，Ti-Cu之间的互扩散将导致金属间化合物不断长大，从而导致反应层厚度的不断增加。文献已有报道，在异种材料扩散连接中，界面金属间化合物的过度长大往往不利于接头强度，因此，有必要优化工艺参数，控制接头金属间化合物的生长[5]。

3 结论

（1）通过850℃，10 MPa压力下的扩散连接可以实现钛-铜之间的连接。

（2）当连接时间为30 s时，在接头处有未完全焊合的显微孔洞，界面没有金属间化合物生成。

（3）当连接时间为60 s时，在界面生成了Ti2Cu，TiCu和Ti3Cu4三种金属间化合物；而当连接时间增加到90s时，接头界面组织演变为Ti2Cu，TiCu，Ti2Cu3+Ti3Cu4的混合层以及Cu4Ti相。

（4）反应层厚度随连接时间的增加而明显增加。当连接时间为60 s时，反应层厚度仅为2 μm，连接时间为90 s时，反应层厚度增加到5 μm。

[1]郭夏阳，林建平，孙博.扩散焊技术的研究进展[J].热加工工艺，2014，43（17）：15-20.

[2]秦倩，杜双明，陈应科.铜夹层Ti-6Al-4V/AZ31B异种金属的扩散连接[J].热加工工艺，2015，44（7）：51-59.

[3]陈思杰，朱春莉.钛及钛合金先进连接技术研究[J].热加工工艺，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.