热压扩散焊接icu层状复合材料的微观结构与性能

热压扩散焊接icu层状复合材料的微观结构与性能

随着现代科学技术的发展，特别是航空航天、电子、机械、化工等领域的发展，对材料的要求越来越高。单一材料的性能不能满足生产和科学技术发展的要求。Ti具有耐磨耐蚀性好、比强度高、密度小等优点被应用于航空航天、化工、石油等行业;Cu具有优良的导电导热性、延展性,在工业生产中得到广泛的应用。把Ti、Cu异相金属相互复合制备出Ti/Cu复合材料,使其兼具Ti、Cu各自性能的优点,对材料性能的最大化利用及其应用领域的拓展具有极大的意义。爆炸复合法因具有工艺简单、生产灵活,适合任何异种金属间的结合而被广泛用于Ti/Cu、Ti/钢、Cu/A等复合材料的生产。但爆炸复合法存在着操作条件差、生产成本高、对环境污染大等不足。真空热压扩散焊接由于焊接接头的机械强度、热稳定性、密封性和耐腐蚀性都能满足重要构件的技术要求,越来越多的用于异种金属的焊接。本文利用真空热压扩散焊接法制备了Ti/Cu复合材料,研究了焊接过程中保温时间对试样结合界面组织、电阻率及其力学性能的影响。1真空热压扩散炉复合非织造材料试验采用尺寸同为2mm×70mm×70mm的工业纯Ti(Ti>99.6%)和工业纯Cu(Cu>99.5%),分别用自配溶液处理Ti、Cu表面油污及氧化物,将处理好的Ti、Cu片放入真空热压扩散炉中进行复合,真空度为3×10-3Pa,样品按三明治形式叠放,上下是Ti中间是Cu。在焊接过程中,保持焊接温度(800℃)、焊接压力(3.5MPa)不变,保温时间分别为20、40、60、80、100min。从不同保温时间条件下的Ti/Cu复合材料取样,进行镶样、抛光处理,采用配有能谱仪(EDS)的MLA650扫描电子显微镜(SEM)观察界面区的微观结构及元素成分,利用四电子探针仪(如图1所示)测量界面电阻率,并使用AG-IS万能材料试验机测量材料的抗弯曲性能,分析保温时间对Ti/Cu复合材料界面组织及其性能的影响。2试验结果与分析2.1扩散层厚度及保温时间的变化图2为焊接温度800℃、焊接压力3.5MPa、不同保温时间的Ti/Cu复合材料的界面微观组织形貌。由图2可以看出,不同保温时间下Ti、Cu间均形成了不同厚度的扩散层,说明二者发生了扩散或迁移,实现了Ti、Cu的冶金结合。同时可以看到,随着保温时间增加,界面亚层数并未增加或减少,均只含有4个不同的亚层,可见亚层的形成只与焊接温度有关,保温时间增加仅仅影响亚层的厚度。保温时间越长,Ti、Cu原子扩散时间越长,增加了原子的扩散距离,随着保温时间增加,界面扩散层总厚度及各亚层厚度逐渐增大,扩散层总厚度由20min的33.134μm增加到100min的66.443μm,扩散层总厚度与保温时间呈二次函数关系,满足固相扩散过程中扩散层厚度与保温时间的关系式χ2=BDt,式中χ为扩散层厚度、t为保温时间、B为常数、D为扩散系数,在本文中保持不变。由于不同保温时间下均生成相同的4个亚层,为了分析各亚层金属间化合物的物相,只对保温40min的试样进行EDS分析,各点的位置图如图2(b)所示,扩散反应层各亚层的EDS测试结果见表1。由图2(b)及表1可以看出,从Cu侧到Ti侧,Cu的含量逐渐减少,Ti的含量逐渐增加。根据Ti-Cu二元相图及Ti、Cu原子分数可以推算出,1~7点成分依次为:以Cu为溶剂的固溶体、Cu4Ti、Cu4Ti3、CuTi、CuTi2、以Ti为溶剂的固溶体、Ti基体。由于Ti的晶体结构为密排六方晶胞、Cu的晶体结构为面心晶胞,Cu向Ti扩散时要克服的面心晶胞势垒远小于Ti向Cu扩散时所需克服的密排六方晶胞势垒;同时Ti原子尺寸大于Cu原子尺寸,使得Ti原子更不易向Cu发生扩散。因此,Cu原子向Ti原子扩散的激活能小于Ti原子向Cu原子扩散的激活能,即扩散时Cu原子克服势垒向Ti中发生跃迁的原子数及扩散速度均大于Ti原子克服势垒向Cu中发生跃迁的原子数及扩散速度。表现为Ti基体中固溶的Cu原子含量高于Cu基体中固溶的Ti原子含量。2.2保温时间及固溶度图3为Ti/Cu复合材料电阻率与保温时间的关系图。从图3中可以看出,随着保温时间的增加,Ti/Cu复合材料的电阻率先减小后增大。影响电阻率的因素有两点:(1)随着保温时间的增加,Cu在Ti基体中的固溶度越大,二者的热膨胀系数差会随之减小,冷却过程中拉应力产生的裂纹会越小,更易于电子的传输;(2)随着保温时间的增加,界面扩散层厚度会逐渐增加,即硬脆相厚度增加,电子传输过程中在硬脆相中的运动路径就越长,其传输所受的阻力就越大,电子运动就会越困难,则导电性能下降。Ti/Cu复合材料电阻率与保温时间的变化趋势可能是由这两个因素共同作用的结果,并在保温时间为60min时电阻率最低为3.634×10-8Ω·m。相比纯Ti电阻率4.2×10-7Ω·m,Ti/Cu复合材料电阻率有较大幅度的降低,仅为纯Ti的8.65%,说明中间Cu层的加入可以改善电势的分布,提高材料的导电性。2.3抗弯曲性能分析图4是Ti/Cu复合材料试样三点弯曲后的照片及其三点弯曲性能对比测试结果。从图4(a)可以看出,试样界面均未出现断裂的情况,说明界面结合状况好。由图4(b)可知,试样的抗弯曲强度呈增大的趋势,即随着保温时间的增加,Ti/Cu复合材料的抗弯曲性能越好。结合图2可知,随着保温时间的增加,Ti、Cu原子的互扩散距离增大导致扩散层厚度增加,扩散层中的硬脆相厚度随之增加,试样的抗弯曲性能越好;同时随着保温时间的增加,Cu、Ti原子扩散到Ti基体、Cu基体的量及深度逐渐增加,由于固溶强化作用,固溶体的强度高于各组元,从而使得Ti/Cu复合材料的整体的抗弯曲性能增加。由此可以得出,Ti/Cu复合材料具有界面结合及良好的力学协同性能,且随着保温时间的增加,试样抗弯曲性能逐渐增大。3ti/cu复合材料的结构1)焊接温度800℃、压力3.5MPa一定时,随着保温时间的增加,Ti/Cu复合材料界面扩散层逐渐增厚,且均生成4个亚层,各亚层的化合物依次为Cu4Ti、Cu4Ti3、CuTi、CuTi2