加Ti箔中間層的鉬-鉬擴(kuò)散焊接

何 毅，浩 明

(南京三樂(lè)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211800)

加Ti箔中間層的鉬-鉬擴(kuò)散焊接

何 毅，浩 明

(南京三樂(lè)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211800)

在1 000℃、10 MPa、60 min的工藝條件下，添加5 μ m的Ti箔作為中間層材料，進(jìn)行鉬-鉬基體之間的真空擴(kuò)散焊接。利用掃描電鏡(SEM)觀察接頭界面形貌，并利用其自帶的X射線能譜儀對(duì)界面元素?cái)U(kuò)散情況和中間層區(qū)域的元素成分進(jìn)行測(cè)試和分析。結(jié)果表明，添加Ti箔作中間層實(shí)現(xiàn)鉬-鉬真空擴(kuò)散焊接時(shí)，Ti原子和Mo原子能夠?qū)崿F(xiàn)良好的擴(kuò)散，界面區(qū)域均為Mo-Ti固溶體，界面焊合率100%。

真空擴(kuò)散焊；Ti箔；中間層；Mo-Ti界面

0 前言

鉬為銀白色金屬，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，熱膨脹系數(shù)低、蒸汽壓低，成為電子電力設(shè)備制造業(yè)、金屬材料加工業(yè)、玻璃制造業(yè)、高溫爐件結(jié)構(gòu)部件制造、航空航天和國(guó)防工業(yè)應(yīng)用的重要材料[1]。加之鉬對(duì)熔融玻璃、熔鹽和熔融金屬防腐性較高，而被大量用作高溫電爐的發(fā)熱材料和結(jié)構(gòu)材料、真空管的大型電極和柵極、半導(dǎo)體及電光源材料[2-3]。隨著金屬鉬應(yīng)用的日益廣泛，且結(jié)構(gòu)器件中形狀復(fù)雜，鉬與鉬金屬基體間的有效連接不僅具有學(xué)術(shù)價(jià)值，更為金屬鉬的進(jìn)一步應(yīng)用開辟了切實(shí)可行的道路。

擴(kuò)散連接是將焊件置于真空或者保護(hù)氣氛中，在壓力和溫度的同時(shí)作用下，使焊接表面微觀凸起處產(chǎn)生塑性變形而達(dá)到緊密接觸，再通過(guò)原子擴(kuò)散形成整體的牢固連接的焊接方法[4-6]。由于鉬金屬本身熔點(diǎn)相對(duì)較高，因此要對(duì)鉬基體進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接必然需要較高的焊接溫度，這對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件是非常不利的。想要在較低溫度下通過(guò)原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)焊接，通常會(huì)添加熔點(diǎn)相對(duì)較低的中間層金屬，借助中間層金屬和基體金屬的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。孫兵兵等人[7]以Ni或Ti箔為中間層，采用真空擴(kuò)散焊對(duì)Mo與Al進(jìn)行了連接。以Ni為中間層時(shí)，先在900℃進(jìn)行Mo-Ni連接，然后在550℃進(jìn)行Mo／Ni與Al連接，可獲得最佳連接強(qiáng)度；在以Ti為中間層材料時(shí)，直接擴(kuò)散焊接Mo-Al箔材，焊合率達(dá)到100%。李鵬等人[8]利用Ag-Cu-Ti活性釬料進(jìn)行鉬和石墨的真空釬焊，結(jié)果表明，Ag-Cu-Ti釬料與兩側(cè)鉬和石墨基體均形成了良好的結(jié)合界面，接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到了石墨基材的80%以上。吳愛萍等人[9]以Ni或Ti箔為中間層，采用擴(kuò)散連接的方法對(duì)Mo與石墨進(jìn)行了連接，接頭的剪切強(qiáng)度超過(guò)了石墨本身的強(qiáng)度。溫亞輝等人[10]以厚度小于等于1 mm的Cr、Ni混合粉為中間層對(duì)Mo與石墨進(jìn)行擴(kuò)散焊接，也獲得了較好的焊接強(qiáng)度。由此可知，Ti和Mo為勻晶相圖，如圖1所示，兩者相容性好。特別是Ti的擴(kuò)散能力強(qiáng)，并且還是活性釬焊中最有效的活性元素[11]。

圖1 Mo-Ti二元平衡相圖

在此選用5 μ m Ti箔作為中間層，在真空條件下進(jìn)行Mo-Mo擴(kuò)散焊接，研究其界面形貌、擴(kuò)散情況和界面結(jié)合質(zhì)量，為Mo基體的低溫?cái)U(kuò)散連接奠定重要的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)所用母材為市售純Mo，中間層材料為5μ m的Ti箔，純度99.99%，實(shí)驗(yàn)接觸面積20 mm×20 mm。

在FJK-2型輻射加熱真空擴(kuò)散焊機(jī)上進(jìn)行擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)。連接前，先將待焊Mo材和Ti箔放入丙酮中，超聲波清洗5 min，冷風(fēng)吹干后，將待焊試樣按照如圖2所示放入擴(kuò)散爐腔內(nèi)，以10℃／min升溫至1 000℃，保溫60 min，隨爐冷卻，連接過(guò)程中對(duì)焊件施加10MPa軸向壓力，真空度2.1×10-3～4.2×10-3MPa。

圖2 擴(kuò)散連接裝夾示意

焊后試樣按垂直焊縫方向加工試樣，將橫截面進(jìn)行打磨拋光。利用掃描電子顯微鏡觀察界面組織形貌，采用Oxford X射線能譜儀檢測(cè)界面元素?cái)U(kuò)散情況，并測(cè)試分析中間層區(qū)域的元素成分。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 界面區(qū)域宏觀組織

焊接界面的低倍數(shù)掃描電鏡形貌如圖3所示。

圖3 Mo／Ti／Mo焊接界面低倍數(shù)形貌

金屬M(fèi)o、Ti的熔點(diǎn)分別為2 623℃和1 670℃，熔點(diǎn)相對(duì)較高，而焊接溫度僅在1 000℃，所以整個(gè)焊接過(guò)程材料均處于固相狀態(tài)，加之Ti原子的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，因而該實(shí)驗(yàn)可以在遠(yuǎn)離材料熔點(diǎn)的溫度實(shí)現(xiàn)良好焊接。由圖3可知，金屬鉬與Ti箔的接觸界面沒有孔洞、裂紋等宏觀缺陷，沒有未焊合現(xiàn)象。

2.2 界面微觀形貌和焊合率

Mo-Ti-Mo焊接界面的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知，Ti箔兩側(cè)的Mo-Ti焊接界面均沒有明顯缺陷的焊合界面，界面處Ti原子向Mo基體中的擴(kuò)散相當(dāng)明顯，出現(xiàn)條紋狀結(jié)構(gòu)。

2.3 界面兩側(cè)原子擴(kuò)散情況

Mo-Ti-Mo界面的線掃描分析結(jié)果如圖5所示。圖5a中的直線表示掃描路徑，可以看出它是從一側(cè)Mo基體中開始，橫穿Ti箔，直到另一側(cè)的Mo基體中。其中包含兩側(cè)的Mo-Ti界面，因此可以較好的反映Mo-Ti界面原子擴(kuò)散情況。Ti原子擴(kuò)散能力強(qiáng)，在保溫60 min內(nèi)，Mo-Ti界面兩側(cè)原子擴(kuò)散充分。加之Mo-Ti是勻晶相圖，它們之間無(wú)限固溶，直到界面處均生成了大量的Mo-Ti固溶體。在圖5b對(duì)應(yīng)于Ti箔的位置上，Mo、Ti相對(duì)強(qiáng)度相當(dāng)，說(shuō)明Ti箔在整個(gè)厚度內(nèi)都有Mo原子擴(kuò)散進(jìn)入。整個(gè)界面上原子擴(kuò)散充分，形成無(wú)缺陷完全焊合的界面。

利用掃描電鏡能譜功能對(duì)圖5a中的點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3位置進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，其元素的原子百分含量和原子比見表1?？梢钥闯觯c(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3處均由Mo、Ti原子組成，Ti∶Mo原子比分別為2.29、2.04和1.58，差別不大。因此這三點(diǎn)處Mo、Ti原子百分含量接近，即擴(kuò)散焊接完成后，橫跨整個(gè)Ti箔厚度方向均生成了Mo-Ti固溶體，且成分均勻，原來(lái)的Ti層形成了完全的成分接近均勻的Mo-Ti固溶體層。

圖4 Mo／Ti／Mo界面微觀形貌

圖5 Mo／Ti／Mo界面原子擴(kuò)散和成分分析

表1 在圖5a中各個(gè)位置點(diǎn)的成分

3 結(jié)論

選用5μ m的Ti箔為中間層，在真空條件下進(jìn)行Mo-Mo擴(kuò)散焊接，利用掃描電鏡(SEM)觀察接頭界面形貌，并利用其自帶的X射線能譜儀對(duì)界面元素?cái)U(kuò)散情況以及中間層區(qū)域的元素成分進(jìn)行測(cè)試和分析，研究其界面形貌、擴(kuò)散情況和界面結(jié)合質(zhì)量。

(1)在1 000℃、10 MPa、60 min的工藝條件下，添加5 μ m的Ti箔作為中間層，成功地實(shí)現(xiàn)鉬-鉬基體之間的真空擴(kuò)散焊接，焊合率100%。

(2)基于Mo-Ti無(wú)限互溶，且Ti原子的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，橫跨整個(gè)Ti箔厚度方向均生成了Mo-Ti固溶體，且其成分接近均勻，原來(lái)的Ti層形成了完全成分接近均勻的Mo-Ti固溶體層。

[1]鐘培全.鉬與鉬合金的應(yīng)用及其加工方法[J].中國(guó)鉬業(yè)，2000，24(5)：15-16.

[2]張全孝，劉全利，熊曉松，等.鉬合金在結(jié)構(gòu)件應(yīng)用方面的發(fā)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2001，24(4)：17-22.

[3]Shunsuke Makimura，Hidetsugu Ozaki，Hisanori Okalnum，et al.The presentstatusofR＆DforthemuontargetatJ-PARC：The development of silver-brazing method for graphite[J].Journal of Nuclear Materials，2008(377)：28-33.

[4]陳 君，徐艷升.擴(kuò)散焊技術(shù)及其應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2009(30)：26.

[5]李曉紅.先進(jìn)航空材料和復(fù)雜構(gòu)件的釬焊與擴(kuò)散焊技術(shù)[J].電焊機(jī)，2008，38(9)：1-12.

[6]趙 杰，呂 濤，金 楓，等.FeCrAl合金材料真空擴(kuò)散焊工藝實(shí)驗(yàn)研究[J].電焊機(jī)，2009，39(7)：27-32.

[7]孫兵兵，李京龍，熊江濤，等.中間層金屬對(duì)Mo-Al箔材擴(kuò)散連接的影響[J].西安焊接技術(shù)學(xué)會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].西安：2009.

[8]李 鵬，李京龍，熊江濤，等.Ag-Cu-Ti活性釬料真空釬焊鉬和石墨結(jié)合質(zhì)量研究[J].電焊機(jī)，2009，39(11)：19-21.

[9]吳愛萍，鄒貴生，馬雪梅，等.鉬與石墨的擴(kuò)散連接[J].稀有金屬材料與工程，2006，35(9)：1492-1496.

[10]溫亞輝，陳文革.鉬與石墨的瞬間液相擴(kuò)散焊[J].機(jī)械工程材料，2011，35(2)：20-23.

[11]陳 錚，趙其章，樓宏青，等.用Ti／Ni／Ti多層中間層進(jìn)行Si3N4陶瓷的部分瞬間液相連接[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1998，26(1)：33-40.

Mo-Mo diffusion bonding by using Ti foil as interlayer

HE Yi，HAO Ming
(Nanjing Sanle Electronic Information Industry Group Company Limited，Nanjing 211800，China)

Two Molybdenum substrates with 5 μ m Ti foil as interlayer，were welded by vacuum diffusion bonding in the condition of bonding temperature 1 000℃，axial pressure 10 MPa and holding time 60 min.The interface topography was observed by Scanning Electron Microscope(SEM)，and its Energy Disperse Spectroscopy was used to test and analyze element interdiffusion and elementary composition at the interface.As a consequent，for the excellent atoms interdiffusion between Ti foil and Mo substrate，Mo／Ti solid solution was generated at the interface region.Therefore，Vacuum Diffusion Bonding of Molybdenum substrates with Ti foil as interlayer could obtain sound Mo-Ti-Mo joint，with interface bonding rate reaching to 100%.

vacuum diffusion bonding；Ti foil；insert metal；Mo-Ti interface

TG453+.9

A

1001-2303(2012)04-00100-03

2011-09-25

何 毅(1956—)，男，江蘇南京人，工程師，主要從事設(shè)備技術(shù)改造及工藝更新工作。