范景蓮，楊樹忠，劉 濤，周 強

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W-Cu復(fù)合材料與Cu的擴(kuò)散連接工藝

范景蓮，楊樹忠，劉 濤，周 強

(中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

鎢、銅熱膨脹系數(shù)的過度失配，使得鎢、銅的連接在偏濾器上的應(yīng)用成為難點。本文基于鎢銅梯度材料概念對鎢、銅進(jìn)行連接，以高活性Fe-Cu粉為中間層，在還原爐中采用擴(kuò)散連接的方法對W-Cu復(fù)合材料與Cu進(jìn)行連接，并對連接樣品的金相顯微形貌、顯微硬度、拉伸強度和元素分布進(jìn)行研究。結(jié)果表明，采用添加中間層的方法可以有效改善連接界面，提高連接質(zhì)量。金相、顯微硬度和能譜分析說明W-Cu與Cu連接樣品的連接界面處形成了連續(xù)、緊密的結(jié)合；拉伸實驗測得的平均強度為168.55 MPa，接近于Cu基材的強度，進(jìn)一步證實添加中間層的方法可實現(xiàn)W-Cu與Cu的擴(kuò)散連接。

擴(kuò)散連接；中間層；接頭性能；連接界面

偏濾器是現(xiàn)代磁約束核聚變堆實驗裝置中一個非常重要的面向等離子體部件[1]。它是構(gòu)成高溫等離子體與材料直接接觸的過渡區(qū)域，承受嚴(yán)酷的熱疲勞，要求具有高熔點、超高的導(dǎo)熱性能和長的耐腐蝕壽命。鎢是稀有高熔點金屬(3 410 ℃)，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，具有高導(dǎo)熱性、高濺射閾值和低的氚滯留，被認(rèn)為是最適合的面壁材料(Plasma Facing Materials，PFM)[2?5]。銅及其合金由于具有高導(dǎo)熱性，可以作為面壁材料后的熱沉材料，用來持續(xù)傳遞熱量防止鎢材料的熔化。

W、Cu之間互不相溶，熱膨脹系數(shù)(Cu=4W)、熔點等物理性質(zhì)上的較大差異，使得W、Cu之間的連接成為難題[6?7]。BOSCARY等[8]利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在Cu表面制備的W涂層具有極好的抗熱沖擊性能和熱疲勞性能。但化學(xué)氣相沉積技術(shù)工藝復(fù)雜，沉積效率低，厚涂層不易制得，成本較高，且制備過程中有較大的污染。CHAPA等[9?10]采用W/Cu梯度功能材料(FGMs)可以很好地克服這種由熱失配產(chǎn)生的熱應(yīng)力。研究表明[11?13]在異種材料之間添加與連接基材都具有良好相容性的活性中間層，能促進(jìn)連接界面形成冶金結(jié)合，改善連接界面，提高連接質(zhì)量。釬焊在異種材料的連接上應(yīng)用較多，駱瑞雪[14]研究了不同焊料對W、Cu連接強度的影響，但是釬焊工藝存在釬料熔點低、焊接界面易于產(chǎn)生氣孔等缺點，采用此法連接的PFMs的工作溫度也較低，在高溫領(lǐng)域應(yīng)用受限。擴(kuò)散連接比較適合異種材料的連接，成本較低，所用中間層材料熔點較高，連接樣的抗拉強度甚至可以超過基材的抗拉強度[15]。

在W、Cu之間設(shè)計一層納米梯度W-Cu材料，并將W-Cu與Cu進(jìn)行擴(kuò)散連接，不僅可以緩釋W(xué)、Cu由于熱膨脹、熱導(dǎo)和化學(xué)不相溶不能形成冶金結(jié)合而導(dǎo)致的界面應(yīng)力，還可以保證W、Cu之間具有較高的連接強度。本文在課題組已有成熟的W-Cu復(fù)合材料[16?17]研究的基礎(chǔ)上，采用添加中間層的方法對W-Cu與Cu進(jìn)行擴(kuò)散連接。Fe是一種常用于W燒結(jié)的添加劑，與W、Cu具有良好的相容性[18]。為了盡可能提高連接性能，本研究選取Fe-Cu粉作為中間層，并將Fe-Cu粉進(jìn)行高能活化，以進(jìn)一步增強Fe在W、Cu中的擴(kuò)散效果和Cu的擴(kuò)散性能。

1 實驗

本研究以W-25Cu和Cu為連接基材，高能活化Fe-Cu粉為中間層進(jìn)行單面連接。W-25Cu基材為課題組粉末冶金法制得，Cu基材為市售鑄造棒材。Fe、Cu粉均為市售微米級粉末，純度大于99%。將Fe、Cu粉采用QM-2SP16行星式球磨機進(jìn)行高能活化。Fe、Cu粉的質(zhì)量比為1:1，球料比為10:1，球磨機轉(zhuǎn)速為200 r/min，在球磨過程中采用高純Ar氣作為保護(hù)氣氛，采用酒精作為濕磨介質(zhì)，球磨時間為20 h，得到高能活化的Fe-Cu復(fù)合粉末。連接基材的尺寸均為20 mm×20 mm×20 mm，經(jīng)砂紙拋光后，用稀鹽酸和酒精進(jìn)行清洗。采用浸涂法將活化Fe-Cu粉浸涂到基材表面，將浸涂面進(jìn)行對貼后放入還原氣氛下的鉬絲爐中進(jìn)行擴(kuò)散連接，保溫溫度為1 000~1 080℃，保溫時間為0.5~4 h。

在德國Leica公司的MeF3A金相圖像定量分析儀上觀察樣品連接界面附近腐蝕前后的金相組織。采用美國Buehler公司Micromet5104顯微硬度儀檢測連接界面附近的顯微硬度，加壓載荷為25 g，以25 μm長度為單位區(qū)間，觀察連接界面從W-25Cu基材到Cu基材的硬度連續(xù)變化。為了檢測連接試樣的連接強度，以連接界面為中心，采用線切割獲得拉伸試樣，采用美國Instron3369力學(xué)試驗機對連接界面進(jìn)行拉伸強度測試。利用掃描電鏡背散射電子對成分元素的原子量敏感的特點和二次電子對樣品表面形貌敏感的特點，分別分析連接界面附近的元素含量分布狀況及拉伸斷口的組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 連接界面金相分析

圖1為連接界面金相顯微形貌圖。圖1(a)和圖1(b)分別為1 050 ℃保溫2 h、4 h后的擴(kuò)散連接樣品的未腐蝕金相圖，由圖可知，有明顯混合特征的中間層存在，但擴(kuò)散效果并不明顯，連接界面存在零散的孔洞，界面不光滑。圖1(c)和圖1(d)分別為未添加和添加中間層的連接樣品在1 080 ℃保溫0.5 h的未腐蝕金相。可以看出圖1(c)中W-25Cu區(qū)與Cu區(qū)的界面有一條明顯的裂隙，界面結(jié)合不緊密，未產(chǎn)生冶金結(jié)合。而圖1(d)中的界面結(jié)合緊密，無明顯缺陷，具有混合特征的Fe-Cu中間層的厚度為120~150 μm。

圖1(d)中，Cu本身的自擴(kuò)散性，使得高活性Cu粉更容易與基材里的Cu發(fā)生擴(kuò)散、結(jié)合，因此Cu端與Fe-Cu中間層之間并未出現(xiàn)明顯界面。在Fe-Cu層區(qū)，含F(xiàn)e相分散均勻，含Cu相較少?？拷黈-25Cu區(qū)后，含F(xiàn)e相逐漸減少，含Cu相逐漸增加，這是由于Fe-Cu粉在有機溶劑中受重力影響分布并不絕對均勻，使得在浸涂與燒結(jié)過程中，Cu粉下沉，F(xiàn)e粉相對浮起并富集；同時，F(xiàn)e在W-25Cu中的擴(kuò)散，也會造成Fe相含量下降。另外，高活性Cu粉與基材中的Cu更易擴(kuò)散結(jié)合，使得在靠近W-25Cu區(qū)的Fe-Cu層區(qū)邊緣形成了一條20 μm的過渡帶，后續(xù)的進(jìn)一步檢測結(jié)果表明該過渡帶為富Cu帶。Fe-Cu區(qū)與W-25Cu區(qū)的界面光滑，無明顯孔隙，結(jié)合緊密。

分析結(jié)果表明，在1 050 ℃相同保溫溫度下，延長保溫時間可以增加中間擴(kuò)散層厚度，并改善界面的結(jié)合狀況，但提高保溫溫度對于連接界面的改善效果更加顯著，因此結(jié)合力學(xué)性能試驗，本研究的最佳擴(kuò)散連接工藝為1 080 ℃保溫0.5 h。在后面的其他檢測分析中，只對1 080 ℃下保溫0.5 h樣品的連接界面進(jìn)行分析。

圖1 連接界面金相顯微形貌

2.2 連接界面能譜分析

圖2為樣品連接界面的SEM-EDS線掃描分析。從圖中可以看出，F(xiàn)e、Cu、W的元素含量在連接界面的各區(qū)分布各有不同。從Cu端開始，F(xiàn)e的含量平緩增加，并在Fe-Cu區(qū)保持穩(wěn)定波動，而W的含量則始終幾乎為零。進(jìn)入到富Cu帶后，F(xiàn)e元素含量開始下降；Cu的元素含量則基本保持不變或有所增加；W元素的含量急劇增加，并且在進(jìn)入W-25Cu區(qū)后，F(xiàn)e元素的含量減少至最低或消失，Cu元素的含量稍下降并保持平穩(wěn)，W元素的含量有所增加后，也保持穩(wěn)定。這說明，在邊界處，由于高活性Cu粉的自擴(kuò)散性，使得Cu-Cu的金屬鍵可能成為連接強度的主要來源，而Fe與Cu、W可能形成的固溶體及金屬鍵也會進(jìn)一步加強界面間的結(jié)合力。

圖2 Cu/Fe-Cu/W-25Cu連接界面的SEM-EDS

2.3 顯微硬度分析

圖3為從W-25Cu基材到Cu基材方向上不同區(qū)域顯微硬度的連續(xù)變化曲線。從圖中可以看出，由W-25Cu基材開始的272.4 HV到W-25Cu/Fe-Cu連接界面的151.6 HV，維氏硬度不斷下降，說明W含量的迅速下降與Cu、Fe含量的迅速增加，與SEM-EDS的線掃描分析結(jié)果一致。過了W-25Cu/Fe-Cu連接界面后，在Fe-Cu區(qū)，由于富Cu帶的存在，Cu含量較高，W、Fe含量較少，維氏硬度較低，為88.4 HV左右。而后維氏硬度隨Fe含量的增加而升高。進(jìn)入Cu區(qū)后，維氏硬度逐漸降到最低65.5 HV。

圖3 連接樣不同區(qū)域的維氏顯微硬度

2.4 界面拉伸強度分析

圖4為連接樣品以中間層為中心經(jīng)線切割所取的拉伸試樣。表1所列為連接樣品取樣后的拉伸強度測試結(jié)果。拉伸試驗的平均強度為168.55 MPa，接近于熔鑄純銅的強度(175 MPa)。而拉伸后發(fā)現(xiàn)，斷裂處發(fā)生在靠近Cu端處或者富Cu區(qū)，這說明界面連接強度可滿足一般材料連接對于結(jié)合強度的需求。

圖4 連接樣品的拉伸強度測試樣品

表1 Cu/Fe-Cu/W-25Cu連接接頭拉伸性能

2.5 拉伸斷口能譜分析

圖5為連接樣品拉伸試驗后的W-25Cu端斷口二次電子掃描圖像。斷口中表現(xiàn)出大量韌窩和微型韌孔，拉伸斷裂方式屬于韌性斷裂。由于韌性斷裂破壞了晶粒，所以不能看到晶粒的大小。圖中所示方框區(qū)域經(jīng)能譜掃描分析后發(fā)現(xiàn)，斷口處Cu元素含量較高，F(xiàn)e元素和W元素含量均比較低，這說明斷裂發(fā)生在富Cu帶。

圖5 Cu/Fe-Cu/W-25Cu接頭拉伸斷口SEM-EDS

3 結(jié)論

1) 采用添加高活性Fe-Cu粉作為中間層的方法，在還原氣氛下的鉬絲爐中組裝燒結(jié)對W-Cu與Cu進(jìn)行擴(kuò)散連接。金相分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，界面結(jié)合緊密，無明顯孔隙或裂隙。

2) 連接界面Fe、Cu、W元素的含量在界面處都出現(xiàn)連續(xù)的變化，但Fe、W元素的含量變化不如Cu元素含量變化平緩。富Cu區(qū)的硬度較低，而高Fe、高W區(qū)的硬度較高，在垂直于界面方向上呈連續(xù) 變化。

3) 連接后的平均強度為168.55MPa，接近于Cu基材的強度，實現(xiàn)了冶金結(jié)合。W-25Cu端斷口處掃描發(fā)現(xiàn)斷裂位置發(fā)生在富Cu帶，斷裂方式屬于韌性斷裂。

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(編輯 高海燕)

Diffusion bonding process between W-Cu composite and Cu

FAN Jing-lian, YANG Shu-zhong, LIU Tao, ZHOU Qiang

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The high mismatch on coefficient of thermal expansion between W and Cu makes the bonding between W and Cu on divertor application become a problem. The W-Cu composite and Cu were bonded by diffusion bonding in the reduced furnace with a high active Fe-Cu powder interlayer in the present paper, and the metallographical morphologies, micro-hardness, tensile strength and elements distribution of the bonded specimen were investigated. The results show that interface bonding quality of the joint is improved effectively by using an interlayer. Metallographical morphologies, micro-hardness and SEM-EDS indicate that successive and tight bonding is obtained near the joint interface of W-Cu and Cu bonded specimen. Furthermore, the average tensile strength of the joint is 168.55 MPa, which is close to the strength of Cu substrate and demonstrates the success of reaching the diffusion bonding of W-Cu and Cu by using an interlayer of active Fe-Cu composite powder.

diffusion bonding; interlayer; joint properties; bonding interface

TG146.4

A

1673-0224(2015)2-182-05

國家科技部重大專項(2014GB115000)

2014-04-14；

2014-05-06

范景蓮，教授，博士。電話：0731-88836652；E-mail: fjl@csu.edu.cn