硬質(zhì)合金與鈦合金真空擴散焊工藝研究

1、硬質(zhì)合金與鈦合金真空擴散焊工藝研究 摘要：通過對硬質(zhì)合金(yg8) 與鈦合金(ta15)異種材料焊接工藝問題的分析，采用塑性較好的cu作為中間層來緩解ta15廠yg8的接 頭熱應(yīng)力。在焊接溫度為860 。壓力為5 mpa，擴散焊接時間分別為1o，20，3o，5o，60 min的條件下，研究yg8與ta15的擴散焊工 藝分析了yg8與ta15連接界面的原子擴散機制、反應(yīng)相生成及其分布規(guī)律。結(jié)果表明，yg8cu界面呈一條亮線，結(jié)合良好，而 ta15cu界面由于生成層狀分布的脆性金屬間化合物而出現(xiàn)裂紋。剪切試驗時接頭也是在此界面斷開。在擴散焊接時間為60 rain時接頭 抗剪強度達(dá)到116 mpa。

2、為硬質(zhì)合金與鈦合金復(fù)合構(gòu)件的生產(chǎn)應(yīng)用提供了理論研究基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：真空擴散連接；硬質(zhì)合金；鈦合金；中間相 中圖分類號：1ig4539 文獻標(biāo)識碼：a yg8硬質(zhì)合金屬于wcco系硬質(zhì)合金，由于co是金屬中與 c相容性最好的金屬元素之一。co熔液對碳的潤濕角 為50。一 7oo，故co作為粘結(jié)相對wc具有良好的潤濕性，可使yg8獲得 良好的物理、力學(xué)性能但硬質(zhì)合金較脆，抗沖擊性差，加 工困難因此在實際應(yīng)用中往往將其與韌性好、易加工的金 屬材料連接成為復(fù)合部件使用。ta15是一種新型的近or型中強 度鈦合金名義成分為ti一65a12zr-1mo一1v i2， 有著較好的 綜合力學(xué)性能可作為飛機結(jié)構(gòu)

3、的主要用材，用來制造飛機隔 框、壁板等工作溫度較高、受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件，在飛 機結(jié)構(gòu)中有著廣闊的應(yīng)用前景e3，其與yg8連接的復(fù)合構(gòu)件， 可充分發(fā)揮兩者的性能優(yōu)勢。但yg8與ta15的線膨脹系數(shù)相差 較大(yg8為4_5xl0-6 mk。ta15為8oxlo mk)。焊接過程 中由于熱失配產(chǎn)生的熱應(yīng)力往往會導(dǎo)致在yg8ta15界面上 或yg8中產(chǎn)生裂紋 從而嚴(yán)重影響接頭的力學(xué)性能。加之 ta15活性大，易氧化，熔焊焊接性差。由此可見，yg8ta15 冶金焊接性與工藝焊接性的較大差異是兩者可靠連接的瓶頸。 針對硬質(zhì)合金與金屬連接易產(chǎn)生應(yīng)力的問題，國內(nèi)外相關(guān) 的研究大都集中在中間過渡層的選取

4、上。ti6a14v鈦合金與 wcco硬質(zhì)合金的摩擦焊可以采用純nj作為中間過渡層e41。 wcco類硬質(zhì)合金和工具鋼的擴散焊可以采用feni作溈中間 過渡層i5，均在應(yīng)力緩釋方面獲得良好的效果。使用熱等靜壓 擴散連接方法，采用ni箔作為中間過渡層實現(xiàn)了硬質(zhì)合金與工 業(yè)純鐵、q235鋼、45鋼、tio鋼良好的冶金結(jié)合i6。針對硬質(zhì)合 金與鋼連接界面易形成有害的11相，使結(jié)合部位抗彎強度降低 的問題，tig焊時，采用nifec焊絲，避免了11相的形成，從 收稿13期：20_0329；修回13期：20_0817 而提高了接頭的力學(xué)性能et?；谝陨系难芯炕A(chǔ)，本試驗擬 采用塑性更好的cu箔代替 作為

5、應(yīng)力緩釋層研究了yg8與 ta15的真空擴散焊工藝，分析了yg8ta15接頭連接界面的原 子擴散機制、反應(yīng)相生成及其分布規(guī)律。 1 研究方案 試驗用ta15的規(guī)格為39 mmx26 mm x4 mm其化學(xué)成分 見表1。yg8的規(guī)格為24 mm14 mmx2 mm， 含有 (co)8 和 (wc)92采用cu作為中間層材料，厚度為01 mm。 表1 試驗材料的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) () 材料 al mo v zr c fe h si o n 其它 ta15 5570 0220 0825 1525 o1 025 0015 015 015 003 0_3 ba1 焊前依次用32 ，5 ，1 200

6、 和1 5oo#的sic砂紙打磨2個 試樣的待焊面至平整，并去除試樣和cu表面的氧化膜，采用 trio0粗糙度儀測量表面r 02 m后，用去離子水超聲波清 洗cu和yg8 35 min，keller試劑(hf 2 ml，hc1 3 ml， hno3 15 ml，h2o 190 ml)清洗ta15 12 min， 乙醇超聲波 清洗35 min后，再存放于乙醇中待焊。 試驗用fjk一2型輻射加熱擴散焊機均溫區(qū)為6300 mm 300 mm，最高加熱溫度1 350 ，溫度控制精度3，加載 能力100 n一100 kn，熱態(tài)極限真空度43xlo pa。在選取焊接 溫度為860 ， 壓力為5 mpa。以

7、及擴散連接時間分別為 1o，2o，3o，5o，60 min的條件下，研究yg8與ta15的擴散焊 工藝。采用光學(xué)顯微鏡與掃描電子顯微鏡進行微觀分析，并觀 測接頭微觀結(jié)構(gòu)，采用電子探針對接頭結(jié)合界面區(qū)域元素分布 規(guī)律進行研究和分析。焊縫抗剪強度的測試采用專用的剪切卡 具在instron拉伸試驗機上進行，加載速率6xlo ns一。 12 試驗與研究 焊接技術(shù) 第36卷第5期20_年10月 2 試驗結(jié)果及分析 21 接頭顯微組織分析 同一焊接參數(shù)下yg8與ta15擴散焊接頭不同區(qū)域的微觀 形貌如圖l所示。 (a)yg8基體與cu中間層 (860 30rain) cu中問層 (b)ta15基體與cu中

8、間層 (860 ，30rain) 圖l ta15yg8接頭微觀組織形貌 其中圖la，b分別反映了焊接溫度為860 時間為30 min 條件下yg8與cu中間層以及ta15與cu中間層的界面結(jié)合情況。 由圖1a可見，cu以其優(yōu)良的延展性和變形能力嵌入yg8表面凹 陷之處，與其表面緊密貼合 大大增加了yg8cu接頭的有效 接觸面積，加速了原子擴散過程，提高了該連接界面的結(jié)合強 度。另外，從圖1a中還可以明顯看出，在yg8cu界面處存在 一條亮線，分析認(rèn)為，是co原子在界面產(chǎn)生偏析、聚集的結(jié) 果，其產(chǎn)生原因為，yg8焊前經(jīng)砂紙打磨處理后，co包裹wc 結(jié)構(gòu)被破壞，致使表層約23 m的深度內(nèi)co含量極

9、低(w(co) 05)，疏松、空隙較多8，從而形成了co原子在yg8基體內(nèi)部 與表面層的濃度梯度。在此焊接條件下，co原子不可避免地 會發(fā)生擴散現(xiàn)象，并在該濃度梯度的作用下不斷向表層遷移， 在yg8cu界面處發(fā)生co顆粒富集或長大 由于co與wc有非常 好的潤濕性它將填滿部分由于打磨脫co后wc顆粒間的空 隙，把wc顆粒緊密粘結(jié)在一起產(chǎn)生co原子在界面的偏析、 聚集。從而進一步提高了該細(xì)dxwc表層的韌性和抗彎強度 提高了yg8cu界面的結(jié)合強度。由能譜分析結(jié)果也可以看出， 圖1a中亮線處co原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1219 大于yg8基體中co 原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8)。這一點也很好地印證了以上的分析。

10、 與圖1a中yg8cu界面不同，ta15cu的界面結(jié)合沒有明顯的界 限，但存在一定寬度且顏色呈現(xiàn)明暗不同的界面層?？偨缑鎸?厚度達(dá)到385 m左右，其中0層厚度約為74 m；6層厚度 約為146 m；c層厚度約為165 m。這是由于高溫下 和cu 原子發(fā)生了互擴 散在ta15與cu中間層界面一側(cè)形成了有明 顯界限且結(jié)構(gòu)不同的新相化合物層。 22 原子擴散機制及中間相分析 界面上形成化合物是反應(yīng)擴散的基本特征。在擴散、反應(yīng) 過程中能夠生成哪些化合物 以及生成物的先后順序問題是比 較復(fù)雜的，應(yīng)從熱力學(xué)和動力學(xué)的角度綜合考慮。通過能譜分 析結(jié)果(圖2和表2)可以看出，在ta15與cu中間層的連接界

11、面附近，相互擴散明顯，形成了厚度明顯不同的反應(yīng)層各個 反應(yīng)層生成的中間相也不同。在靠近cu中間層一側(cè)為cu(ti) 固溶體以及少量的ticu中間相，由點2的原子比約為1：4可知 此處為ticu 中間相； 點3的原子比約為1：18， 可知此處為 ticu：和ti2cu，中間相的混合物，而ti2cu，中間相只可能由固相 反應(yīng)生成，其在固相中與ticu 中間相平衡9 3； 點4的原子比 約為1：1，可知，此處為ticu中間相；靠近基體ta15鈦合金一 側(cè)為o一ti(cu)固溶體， 此時，ti可以溶解大約10 的cu。 taguchi等人】 在690870 oc條件下對ticu進行了擴散反應(yīng)試 驗，研

12、究結(jié)果證實，在擴散區(qū)域會產(chǎn)生6種類型的ticu金屬間 化合物， 依次為ticu4，ticu2，ti2cu3，ti3cu4，ticu，ti2cu。 這與本次試驗中出現(xiàn)化合物的順序是一致的。 (a)點掃描結(jié)果 (b)線掃描結(jié)果 圖2 ta15與cu界面一側(cè)能譜分析結(jié)果(860。30 mil1) 表2 對應(yīng)圖2a中spectmm 1-5各點的化學(xué)成分 (摩爾分?jǐn)?shù)) () 點號 c al _n c1,1 spectrum 1 1458 126 425 799l spectrum 2 206l 316 l56l 6061 spectrum 3 l932 347 2862 4859 spectrum 4

13、2l_87 358 4096 33 59 spectrum 16o8 939 6486 967 圖2中 ，cu原子自界面的擴散距離均達(dá)n5o一60 m，ti 原子成分分布曲線tlcu原子的成分分布曲線起伏幅度大。表 明tj原子比cu原子有更大的擴散活性(圖2b)。很顯然以上現(xiàn) 象與tj，cu擴散行為有著密切的聯(lián)系。由化學(xué)勢公式11： p=ogon ， (1) 式中：此為組元i的化學(xué)勢；g為吉布斯自由能；ni是組元i的原 子數(shù)。經(jīng)計算得出ti原子的化學(xué)勢tlcu原子要高，它們之間的 化學(xué)勢梯度就是擴散的驅(qū)動力，這也與試驗分析結(jié)果相吻合。 通過對yg8ta15接頭真空擴散焊工藝的分析研究可知， 接

14、頭整體性能由yg8cu與cuta15兩處結(jié)合界面性能共同決 定。在860的焊接溫度下，焊接過程中各主要元素都發(fā)生了 擴散傳質(zhì)過程。擴散傳質(zhì)是進行接頭冶金反應(yīng)和成分均勻化的 基礎(chǔ)，擴散過程一方面改善了焊接界面之間的物理接觸狀況， 形成了擴散焊接頭， 如yg8cu界面結(jié)合性能良好。但在cu ta15界面處同時形成了固溶體和金屬間化合物。固溶體可以 產(chǎn)生固溶強化效果，這在中間層的強化過程中占有重要地位， weldinz technolov voli36 no5 oct20_ 試驗與研究 13 而ticu金屬間化合物硬而脆，在焊后的重復(fù)打磨或使用中很 容易導(dǎo)致開裂現(xiàn)象，故對接頭性能危害很大。剪切試驗時

15、，接 頭在位于cuta15連接界面處斷開即說明了這一點。故在真空 擴散連接yg8與ta15時， 對cuta15界面處生成ticu金屬間 化合物的體積分?jǐn)?shù)以及在界面的分布狀態(tài)必須予以控制， 以便 提高整體接頭的力學(xué)性能。 23 接頭的剪切性能 焊后接頭的抗剪強度試驗結(jié)果如圖3所示。ta15廠yg8接頭 的抗剪強度由yg8硬質(zhì)合金、ta15鈦合金、中間層cu及兩結(jié) 合面的強度共同決定。其中，兩結(jié)合面的強度起關(guān)鍵作用，它 受結(jié)合面處產(chǎn)生的一系列物理、冶金反應(yīng)的影響。由圖可見， 隨著焊接時間的增加，抗剪強度呈升高的趨勢，且在焊接溫度 為860 、保溫時間為30 rain條件下接頭的抗剪強度達(dá)到最大值

16、116mpa。之后當(dāng)保溫時間增加時，接頭中脆性金屬間化合物 新相逐漸析出且呈層狀聚集分布必將影響到接頭的力學(xué)性 能。從而導(dǎo)致抗剪強度隨保溫時間的繼續(xù)增加呈下降趨勢。 ， 一 l 提高了其結(jié)合強度：在cura15界面上形成了不同寬度的化合 物擴散層依次為cu(ti)固溶體、ticu4中間相、ticu 和ti cu3 中間相的混合物、ticu中間相以及0【一ti(cu)固溶體。其中，固 溶體產(chǎn)生的固溶強化效果進一步提高了接頭的力學(xué)性能，但中 間相ticua，ticu2，ti2cu3和ticu都較鈦合金基體硬且脆，而且 呈層狀聚集這必將影響到界面性能，真空擴散連接時對其體 積分?jǐn)?shù)和形態(tài)必須予以控制。

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