代 野,李忠盛,戴明輝,陳大軍,李曉暉
(西南技術(shù)工程研究所, 重慶 400039)
鎢具有高熔點、高密度、高硬度、低膨脹系數(shù)以及優(yōu)異的抗腐蝕、抗氧化等固有物理化學性能和特殊功能,在兵器領(lǐng)域先進彈藥、核工業(yè)領(lǐng)域核聚變堆偏濾器等武器裝備上實現(xiàn)了廣泛應用[1-4]。但鎢室溫強韌性較差,單獨采用金屬鎢并使其作為功能件或結(jié)構(gòu)件應用受到了極大限制,將鎢和銅復合是實現(xiàn)鎢推廣應用的有效方法。W、Cu之間互不相溶,熱膨脹系數(shù)、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[5-6]。目前,鎢/銅連接主要采用電子束焊、擴散連接[7]和釬焊技術(shù)[8-10],擴散連接技術(shù)具有成本低、操作簡單、對基體影響小、對焊件尺寸形狀要求低等優(yōu)勢,是當前偏濾器等武器裝備構(gòu)件最有效的連接方法之一[11-12]。范景蓮[13]以高活性Fe-Cu粉為中間層研究了W-Cu復合材料與Cu的擴散連接工藝,結(jié)果表明: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。駱瑞雪[14]研究了不同焊料對W、Cu連接強度的影響,采用Ag-Cu-Ti箔片釬料在高溫相互作用下,Ag-Cu-Ti合金與W形成了良好的結(jié)合界面。如上所述,釬焊技術(shù)是實現(xiàn)W/Cu連接的最有效方法之一,而釬焊過程中合適的釬料和釬焊工藝的選擇,是影響釬焊工藝與釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素。Ag-Cu共晶釬料對鎢銅基體均具有良好的潤濕性,有利于獲得致密的焊接接頭。為提高連接基體性能,本文采用添加BAg72Cu中間層的方法對WCu10合金與Cu進行真空擴散連接,研究了焊接接頭的顯微組織特征及力學性能。
本研究以鎢銅合金(WCu10)和純銅T2為連接基材,中間層材料為厚度50 μm的BAg72Cu箔帶,具體成分如表1,主要物理性能與力學性能參數(shù)如表2所示。分別將鎢合金棒和銅材加工成Φ60 mm×30 mm的圓柱焊接樣。將待焊表面用180、400、800、1 000、1 500號金相砂紙逐級打磨并拋光,隨后分別依次置于丙酮和酒精中超聲波清洗15min,吹風機吹干備用。采用真空擴散連接設(shè)備進行焊接試驗,具體工藝參數(shù)為:真空度為6×10-3Pa,焊接溫度為800℃,保溫時間為20 min,焊接壓力為4 MPa。針對焊后試樣在垂直于焊縫方向進行線切割取樣,所取金相試樣規(guī)格為10mm×10 mm×10 mm,焊接試樣及金相試樣尺寸如圖1所示,采用Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡觀察接頭界面組織形貌,采用OXFORD INCA能譜儀(EDS)進行接頭元素分析;采用MTS 322±250 kN電液伺服試驗系統(tǒng)測試接頭拉伸性能,采用掃描電鏡及能譜儀對拉伸斷口進行觀察和元素分析,采用HM-MT1000自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微維氏硬度計測試接頭顯微硬度。
表1 焊接材料成分
圖1 焊接試樣及金相試樣尺寸示意圖
表2 焊接材料的主要物理性能與力學性能參數(shù)
圖2為WCu10/Cu擴散連接接頭界面形貌,從圖中可以看出,焊接界面結(jié)合良好,未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋孔洞缺陷,表明采用BAg72Cu中間層實現(xiàn)了WCu10與Cu的可靠連接。為進一步分析焊接過程中焊接界面元素擴散遷移和分布情況,在接頭界面典型區(qū)域?qū)、Cu、Ag主要元素進行了SEM-EDS面掃描分析,如圖3所示。結(jié)合分析圖2,圖3可知,WCu10/Cu接頭可分為4個區(qū)域:(1)WCu10基體;(2)L1:BAg72Cu區(qū);(3)L2:BAg72Cu與Cu基體擴散區(qū);(4)Cu基體。應該還存在一個WCu10與BAg72Cu擴散區(qū),雖然區(qū)域不大,如圖3表示。
圖2 WCu10/Cu焊接接頭界面形貌
圖3 WCu10/Cu焊接接頭元素分布的SEM-EDS掃描分析形貌
圖3中a、b區(qū)域為靠近WCu10/釬料界面WCu10基體W相和Cu相部分,EDS掃描分析發(fā)現(xiàn):靠近WCu10/釬料界面的a區(qū)域中W元素含量為87.02%,Ag元素含量為12.98%,而e區(qū)域中W元素含量為100%,并未發(fā)現(xiàn)其他元素;b區(qū)域中Ag元素含量為77.27%,Cu元素含量為22.73%,表明WCu10與BAg72Cu釬料發(fā)生了部分元素擴散,經(jīng)線掃描測試,WCu10中W相與釬料擴散層厚度約為5 μm;圖3中c區(qū)域為BAg72Cu區(qū),EDS掃描分析發(fā)現(xiàn):該區(qū)域由Ag、Cu兩種元素組成,其中Cu元素含量為35.17%,略高于初始中間層材料(BAg72Cu)中Cu元素含量,表明在焊接過程中Cu基材向BAg72Cu發(fā)生了擴散,初步分析該區(qū)域組織為富Cu相+銀銅共晶的亞共晶組織;圖3中d區(qū)域EDS掃描分析發(fā)現(xiàn):該區(qū)域Cu元素含量為92.01%,Ag元素含量為7.99%,表明BAg72Cu向Cu基材同樣發(fā)生了擴散。綜上分析,WCu10/釬料界面在釬焊過程中發(fā)生的反應是WCu10與BAg72Cu釬料發(fā)生了部分元素擴散;釬料/Cu界面在釬焊過程中發(fā)生的主要反應是Cu基材與釬料之間的相互擴散。
圖4為從WCu10基材到Cu基材方向上不同區(qū)域顯微硬度曲線。從圖中可以看出,由WCu10基材開始的334.8HV到BAg72Cu區(qū)的95.2HV,維氏硬度不斷下降。進入BAg72Cu與Cu基體擴散區(qū)后,由于Cu元素的增加,顯微硬度繼續(xù)降低至76.2HV,進入Cu基材區(qū)后,顯微硬度并未發(fā)生明顯變化。
圖4 WCu10/Cu焊接接頭不同區(qū)域顯微硬度曲線
圖5為WCu10/Cu焊接接頭拉伸試樣示意圖,拉伸試驗結(jié)果表明:接頭平均抗拉強度達到了217.6 MPa。接頭斷口形貌如圖6所示。從圖中可以看出,接頭呈現(xiàn)出沿晶斷裂和韌窩斷裂組成的混合斷裂特征。
圖5 拉伸試樣示意圖
圖6 WCu10/Cu焊接接頭斷口形貌
分別對拉伸斷口沿晶斷裂區(qū)域和韌窩斷裂區(qū)域進行EDS掃描分析(見如圖7),結(jié)果表明:沿晶斷裂區(qū)整個斷口由Cu元素和W元素組成,且W元素含量較高,Cu元素含量較低;韌窩斷裂區(qū)整個斷口由Ag元素和Cu元素組成,且Ag與Cu質(zhì)量百分比約為7∶3,這與原始釬料成分基本相當,因而可以推斷斷裂失效發(fā)生在WCu10/BAg72Cu界面,這是因為異種材料焊接過程中,因材料熱膨脹系數(shù)差異較大,焊接接頭在冷卻過程中會在靠近接頭的低熱膨脹系數(shù)材料處產(chǎn)生較高的熱應力,故在WCu10側(cè)產(chǎn)生了較大的殘余應力,成為接頭薄弱部位。
圖7 WCu10/Cu擴散連接接頭拉伸斷口的SEM-EDS掃描分析形貌
1) 采用BAg72Cu中間層能夠?qū)崿F(xiàn)WCu10與Cu的有效連接,WCu10/Cu界面結(jié)合良好,焊接接頭由WCu10基體、BAg72Cu區(qū)、BAg72Cu與Cu基體擴散區(qū)和Cu基體組成。
2) 連接界面Cu、W、Ag元素的含量在界面處都出現(xiàn)連續(xù)變化,BAg72Cu中間層顯微硬度略高于Fe-Cu擴散層與Cu基材區(qū)域。
3) 焊接接頭的平均抗拉強度為217.6 MPa,焊接界面實現(xiàn)了冶金結(jié)合。通過斷口形貌及EDS掃描發(fā)現(xiàn)接頭斷裂位置發(fā)生WCu10/BAg72Cu界面,斷裂方式屬于沿晶斷裂和韌窩斷裂組成的混合斷裂。