麻相龍，曹睿，董浩，王彩芹，張龍戈，閆英杰

(1.蘭州理工大學,有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室,蘭州,730050；2.中國鋼研科技集團有限公司安泰科技股份有限公司,北京,100081)

0 序言

銅/鋼異種金屬連接構件具有獨特而優(yōu)越的綜合性能，如良好的導電性、導熱性及一定的強度等，在電氣、電子、化工、交通和航空航天等行業(yè)得到廣泛的應用[1-7].銅原子和鐵原子的原子序數相差不大，兩者液態(tài)下互溶，可以通過焊接實現冶金結合.然而銅與鋼的連接由于兩者熔點相差300～400 ℃，熱導率相差近5 倍，銅的線膨脹系數比鐵高15%左右[1].這些物理性能上的較大差異使得通過傳統的熔化焊得到的焊接接頭易產生焊縫熱裂紋、熱影響區(qū)滲透裂紋等各種缺陷，冶金反應時易產生金屬間化合物，進而導致力學性能有所降低[1-2].目前，對于銅/鋼異種金屬連接采用釬焊和固相壓力焊均可得到優(yōu)質的焊接接頭[5-8].高煒[5]采用高頻感應釬焊工藝連接T2 紫銅與316L 不銹鋼，選用Sn-Cu 系二元共晶釬料，得到了優(yōu)良的焊接接頭，焊縫金屬間元素充分擴散、冶金結合良好，未出現焊接缺陷.Zhang 等人[6]通過爆炸焊對無氧高導電銅板和低碳鋼板進行連接，觀察到結合界面呈波浪狀，熔合區(qū)形成了細小的晶粒和56 nm 的納米晶粒.細晶和納米晶的加入大大改善了冶金結合界面，試樣最大抗拉強度達到315 MPa.Suman 等人[7]采用磁脈沖焊的方法對純銅和低碳鋼管以搭接方式連接，得到成形好的焊接接頭，高能沖擊引起的應變硬化效應使界面鋼側顯微硬度顯著提高.

目前，與熔化焊相比，固相焊和釬焊因其較低的焊接熱輸入可有效減少焊縫和熱影響區(qū)裂紋的產生，但是對于一些大型的異種金屬連接構件，涉及到的焊縫比較繁多，采用傳統的固相焊或釬焊工藝往往效率很低，很難滿足工程上批量生產的需求.熱等靜壓技術是20 世紀50 年代中期由美國Battelle 研究所發(fā)明，它是在一個密閉的容器中，以高壓氣體(氮氣、氬氣等)為媒介，對容器內的材料施加各向均等的靜壓力，在高溫高壓的作用下，實現材料的致密結合[3-4,8-9].與傳統固相焊相比，在異種材料連接方面，熱等靜壓擴散連接的材料具有致密度高、冶金結合好、結合強度高等優(yōu)點.熱等靜壓技術因其在擴散連接方面存在巨大優(yōu)勢，在異種金屬焊接中擁有廣闊的前景[3-4]，尤其是在實際工程應用中，熱等靜壓技術可實現大型異種金屬構件連接一次成形，保證連接質量可靠性的同時大大提高了生產效率.就鋼/銅異種金屬熱等靜壓擴散連接工藝展開研究，分析了連接接頭的微觀組織、連接機理和力學性能.為工程上熱等靜壓擴散連接鋼/銅異種金屬構件批量化生產提供理論參考.

1 試驗方法

試件尺寸均為φ55 mm × 45 mm 的316L 不銹鋼棒和T2 紫銅棒采用對接的方式裝配到包套中，經封焊、檢漏、脫氣等常規(guī)操作流程后進行熱等靜壓擴散連接.316L 不銹鋼和T2 紫銅的化學成分如表1 所示.熱等靜壓裝配示意圖如圖1 所示.試驗所用的包套尺寸為φ60 mm × 95 mm，厚度為2.5 mm，材質為20 鋼.采用的熱等靜壓工藝為：溫度950～ 1 000 ℃，壓力120～ 140 MPa，保溫保壓2～ 3 h，隨爐自然冷卻.

圖1 鋼/銅熱等靜壓擴散連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel/copper HIP diffusion bonding

表1 T2 紫銅和316L 不銹鋼的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of the T2 copper and 316L stainless steel

熱等靜壓結束后沿著包套軸向方向線切割切取金相樣品，經過磨、拋后在Zeiss Axio Observer金相顯微鏡下觀察其金相組織.同時，用JEOL JSM 720F 掃描電子顯微鏡及其附帶的Oxford X-Max能譜儀(energy dispersive spectroscopy,EDS)分析接頭微觀組織和元素擴散情況.硬度試驗采用VH1102-01-0087 維氏顯微硬度計，以接頭分界線為中心，在分界線附近選取600 μm × 700 μm 的區(qū)域，分成100 μm × 100 μm 的小格，間隔0.1 mm 打點，加載載荷為9.8 N，加載時間為15 s.最終得到硬度分布云圖.拉伸試驗根據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》采用直徑φ10 mm × 65 mm 的棒狀試樣，連接界面位于試樣中間位置.采用Instron 5582 型雙立柱電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗.采用JEOL JSM 720F 型掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行觀察.

2 試驗結果與分析

2.1 銅/鋼連接接頭宏觀形貌

圖2 為熱等靜壓后316L 不銹鋼與T2 紫銅連接接頭在光學顯微鏡下的圖像.宏觀上未發(fā)現明顯的裂紋和孔洞等缺陷，初步表明接頭結合良好.

圖2 鋼/銅連接接頭宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of the steel/copper joints

圖3 為圖2 上側A 虛線框316L 不銹鋼的金相組織，其組織由等軸的奧氏體晶粒和δ 鐵素體相組成.圖4 為圖2 下側B 虛線框T2 紫銅的金相組織，晶粒長大明顯，存在典型的退火孿晶組織.

圖3 316L 不銹鋼的微觀組織Fig.3 Microstructure of the 316L stainless steel

圖4 T2 紫銅的微觀組織Fig.4 Microstructure of the T2 copper

2.2 銅/鋼連接接頭微觀組織分析

圖5 為316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭的微觀形貌及其附近的析出相.圖5a 為掃描電子顯微鏡背散射模式(back scattered electron,BSE)的接頭微觀形貌，發(fā)現熱等靜壓后的316L 不銹鋼與T2 紫銅連接接頭呈波狀結合分布，表明熱等靜壓擴散連接的316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭具有較高的結合強度.因為波狀連接相較于平直界面增大了連接界面的接觸區(qū)域，形成相互咬合的效果，使得結合更加牢固[9].圖5b 為接頭擴散區(qū)，對銅/鋼接頭進行EDS 線掃描，結果如圖6 所示，兩側元素發(fā)生明顯的擴散行為，形成一個寬度為3.9 μm 的擴散層，整個擴散層分為3 部分，分別為兩側的DAZ 區(qū)(擴散影響區(qū)，基材相占大多數)和中間的RL 層(反應層，新相核化的區(qū)域)[10].鋼/銅熱等靜壓擴散連接是一個固相擴散連接的過程，兩側鐵、銅原子的擴散機制為空位機制[2]，在高溫高壓下，通過塑性變形和擴散反應實現銅/鋼接頭的可靠連接，根據Kirkendall 效應擴散完成后連接界面最終向元素擴散速率快的一側移動，Cu 原子的擴散速率大于Fe 原子，所以連接界面最終偏向T2 側[11-14].從圖5a 可以看到，在接頭及其附近的T2 側存在襯度明顯不同于基體的相.結合圖5c接頭微觀形貌可以看到，這些區(qū)域有樹枝狀、條狀和不規(guī)則塊狀析出相產生，圖5d 為圖5c 虛線框中放大后的微觀形貌，發(fā)現樹枝狀的析出相彌散的分布于接頭及附近T2 紫銅基體上.對接頭及其附近析出相進行EDS 點掃描，點掃描結果如表2 所示.結合Cu-Fe 二元相圖和Cu-Ni 二元相圖，這些樹枝狀和條狀的析出相推測分別為γ-Fe 相和α(Cu,Ni)相[9-14].不規(guī)則塊狀的析出相為富Cr 相.結合圖6 的EDS 線掃描結果和表2的EDS 點掃描結果可以表明，反應層由α(Cu,Ni)相和γ-Fe 相組成，而在T2 紫銅擴散影響區(qū)主要為γ-Fe 相和富Cr 相.

圖5 接頭微觀形貌及其附近析出相Fig.5 Micro morphology of joint and precipitated phase near the joint.(a) BEM picture;(b) diffusion zone;(c) micro morphology of joint;(d) T2 region near the joint

圖6 圖5b 接頭擴散區(qū)線掃描結果Fig.6 Line scanning results of joint diffusion zone in Fig.5b

表2 圖5a 中點掃描的結果(質量分數,%)Table 2 Results of point scanning in Fig.5a

2.3 連接接頭的硬度分布

為了研究連接接頭硬度分布情況，在接頭選區(qū)進行維氏顯微硬度試驗，獲得接頭及其附近的硬度分布云圖.從圖7 可以發(fā)現，316L 不銹鋼側的平均硬度值最高，為130 HV0.1，316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭平均硬度高于T2 紫銅側平均硬度，接頭平均硬度為94 HV0.1.

圖7 接頭附近顯微維氏硬度分布Fig.7 Vickers microhardness distribution near the joint

接頭硬度的分布與組織分析中圖5c 所觀察到連接接頭有均勻分布的析出相有關，析出相引發(fā)的第二相強化機制使得接頭區(qū)域抵抗變形的能力大大提高，增加了接頭區(qū)域的硬度[9].從316L 不銹鋼側到T2 紫銅側硬度值逐漸降低，在接頭及其附近區(qū)域并沒有發(fā)現硬度突變的現象發(fā)生，說明在熱等靜壓后316L 不銹鋼/T2 紫銅擴散界面及其附近區(qū)域并未有金屬間化合物生成，進一步說明界面結合較好[10].

2.4 連接接頭的抗拉強度

316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭拉伸試驗斷裂于T2 紫銅基體，可見接頭冶金結合質量很好.接頭的抗拉強度和斷后伸長率如圖8 所示，最大抗拉強度為165 MPa，斷后伸長率為30.5%，斷面收縮率為83.0%.在拉伸過程中可以觀察到明顯的“頸縮”現象，結合圖9 的斷面形貌可知，斷口呈現微孔聚集型的韌性斷裂.對斷裂原因進一步分析，發(fā)現圖5c所示接頭及其附近存在的富Cr 相、α(Cu,Ni)相和γ-Fe 析出相均勻彌散分布于接頭及接頭附近的T2 紫銅基體相中，與周圍位錯間發(fā)生交互作用，阻礙位錯的運動，提高了這些區(qū)域的強度，而離接頭較遠的T2 紫銅基體沒有強化機制，且熱等靜壓過程中較大的熱輸入導致晶粒粗大而軟化最終發(fā)生斷裂[9,15-16].

圖8 接頭的抗拉強度和斷后伸長率Fig.8 Tensile strength and elongation of joint

圖9 拉伸試樣的斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of the tensile specimen

3 結論

(1) 采用熱等靜壓工藝成功連接了316L 不銹鋼/T2 紫銅，接頭呈波狀結合，且連接接頭無明顯的宏觀缺陷.

(2) 在塑性變形和擴散反應的連接機制作用下，兩側基體主要元素通過空位機制發(fā)生明顯的擴散，形成了厚度為3.9 μm 的擴散層，在連接接頭及其附近的T2 紫銅側發(fā)現了樹枝狀γ-Fe 相、條狀α(Cu,Ni)相組織和不規(guī)則塊狀富Cr 相組織存在.

(3) 對連接接頭進行力學性能分析表明，連接接頭平均硬度值為94 HV0.1，高于較弱T2 紫銅，但是沒有硬度突變現象，表明接頭沒有金屬間化合物生成，拉伸試驗結果最終在T2 紫銅側失效斷裂，最大抗拉強度為165 MPa，接頭及其附近的析出相形成了第二相強化，而T2 紫銅由于沒有強化機制且熱等靜壓較大的熱輸入導致晶粒粗化而斷裂.