以鈮+銅為復合中間層擴散焊接鈦合金/不銹鋼接頭的組織與性能

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(1.河南科技大學材料科學與工程學院，洛陽 471023；2.有色金屬共性技術河南省協同創新中心，洛陽 471023)

0 引 言

鈦合金具有比強度高、熱穩定性好和密度低等優點，但價格昂貴；不銹鋼具有優異的力學性能、耐腐蝕性能和耐高溫性能，價格相對低廉。將這兩種材料進行焊接，所得接頭能夠充分發揮兩種材料在性能上和經濟上的優勢[1]，可應用于航天航空、機械制造等領域。但在焊接過程中，鈦合金中的鈦元素會和不銹鋼中的鐵、鉻元素形成TiFe、TiFe2、TiCr2等脆性金屬間化合物[2]；在焊后冷卻過程中，又會因鈦合金與不銹鋼的線膨脹系數不匹配而導致接頭中形成較大內應力。在內應力的作用下，硬脆的金屬間化合物易開裂形成裂紋，從而影響接頭質量[3]。目前，鈦合金與不銹鋼常采用擴散焊進行連接。在擴散焊時，可通過加入中間層的方法來阻止鈦合金和不銹鋼中元素的相互擴散，以避免脆性金屬間化合物的形成。

孫榮祿等[4-5]在TC4鈦合金(抗拉強度約895 MPa)與1Cr18Ni9Ti不銹鋼(抗拉強度約900 MPa)之間加入鎳中間層和釩+銅復合中間層后進行了擴散焊，發現：鎳中間層雖能阻止鈦和鐵元素的相互擴散，但鎳和鈦之間也會生成金屬間化合物，所得接頭的抗拉強度僅約352 MPa；釩+銅復合中間層雖可避免鈦和鐵生成金屬間化合物，但接頭的抗拉強度也僅約356 MPa；接頭較低的抗拉強度可能與焊接工藝有關。趙東升等[6-7]以鈮和鈮+銅為中間層對鈦合金和不銹鋼進行了真空熱軋焊接，所得接頭的抗拉強度分別達到417 MPa和388 MPa。李鵬等[8]以鎳+鈮為復合中間層對鈦合金和不銹鋼進行了擴散焊，所得接頭的抗拉強度約為396 MPa。此外，還有以銅[9]、鎳[10]和銀[11]等為中間層制備的鈦合金與不銹鋼擴散焊接頭，這些接頭的性能均不甚理想。

由鈦-鈮、鈮-銅、銅-鐵二元合金相圖可知，鈦-鈮、鈮-銅、銅-鐵兩兩元素間都有一定的互溶度，能形成固溶體而不生成金屬間化合物。為此，作者以鈮+銅為復合中間層，按照TC4鈦合金、鈮片、銅片、15-5PH不銹鋼的次序裝配后，采用階梯式加熱方式對TC4鈦合金和15-5PH不銹鋼進行擴散焊，研究了接頭的顯微組織和力學性能。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料：市售TC4鈦合金，退火態，化學成分(質量分數/%)為6.10Al，3.95V，0.30Fe，0.20O，0.10C，余Ti；市售15-5PH(05Cr15Ni5Cu4Nb)不銹鋼，正火態，化學成分(質量分數/%)為0.06C，15.4Cr，4.8Ni，3.2Cu，1.00Mn，0.35Nb，余Fe；市售銅片，純度為99.96%，厚度為100 μm；鈮片，純度為99.88%，厚度為100 μm，由西北有色金屬研究院提供。

TC4鈦合金和15-5PH不銹鋼試樣的尺寸均為φ15 mm×25 mm。按照TC4鈦合金、鈮片、銅片、15-5PH不銹鋼的順序組裝試樣，在Gleeble-1500型熱力模擬試驗機上模擬真空擴散焊接，在不銹鋼側距焊縫1 mm處焊熱電偶測溫。為了實現焊接面的緊密結合和原子的充分擴散[12]，焊接時采用階梯式加熱方式；為了提高原子擴散速率、縮短焊接時間，但又不至于使銅片熔化，最高加熱溫度應低于銅的熔點1 083 ℃；為了避免發生較大塑性變形，焊接壓力應低于最高加熱溫度下TC4鈦合金開始變形的壓力。基于上述原則，通過試驗確定了焊接工藝：以20 ℃·s-1的速率升溫至1 050 ℃，停留2 s，再以10 ℃·s-1的速率降溫至950 ℃保溫1 200 s，焊接壓力為5.6 MPa，真空度為30～50 Pa。

1.2 試驗方法

在接頭1/2半徑的位置截取金相試樣，經拋光，用由5 g CuCl2、40 mL HCl、30 mL H2O、25 mL CH3COOH組成的溶液腐蝕15-5PH不銹鋼側，用由20 mL HF、40 mL HNO3、94 mL H2O組成的溶液腐蝕TC4合金側后，在Axio Vert A1型光學顯微鏡(OM)上觀察顯微組織。在接頭中間位置沿軸向取樣加工成工字型板狀拉伸試樣，試樣厚3 mm，平行段寬5 mm、長15 mm，在AG-I 250 KN型材料試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min-1;將TC4鈦合金加工成尺寸為φ15 mm×50 mm的試樣，作為對比試樣，經歷與焊接試驗相同的模擬過程，并在相同的試驗條件下進行拉伸試驗。使用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察接頭截面形貌和拉伸斷口形貌，用附帶的Falcon型能譜儀(EDS)進行微區成分分析。使用JSM-560D8型X射線衍射儀(XRD)對斷口進行物相分析。

圖1 TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭的顯微組織Fig.1 Microstructure of TC4 titanium alloy/15-5PH stainlesssteel joint

2 試驗結果與討論

2.1 微觀形貌和微區成分

由圖1可以看出：TC4鈦合金與15-5PH不銹鋼擴散焊接頭可明顯分為不銹鋼(位置A)、銅層、鈮層和鈦合金(位置G)等4個部分以及不銹鋼/銅(位置C)、銅/鈮(位置D)、鈮/鈦合金(位置E)等3個界面；不銹鋼基體的組織為奧氏體、馬氏體和少量鐵素體，晶粒比較粗大，但靠近不銹鋼/銅界面處(位置B)的晶粒相對細小；銅層和鈮層的厚度分別約為10.8，52.7 μm，均明顯小于原始銅片和鈮片的厚度，這與焊接過程中在溫度和壓力的作用下銅片和鈮片產生的塑性變形有關，同時也與高溫下銅、鈮元素的擴散有關；鈦合金基體的組織主要為魏氏組織，由等軸α相和由片層β相轉變成的細片狀β相構成，細片狀β相的形成是因為鈮是β-Ti的穩定元素[13]；在近鈮/鈦合金界面處(位置F)，鈦合金的晶粒較細，遠離界面處的則較粗；不銹鋼/銅、銅/鈮、鈮/鈦合金這3個界面的過渡良好、結合緊密，未見明顯的孔洞和縫隙，這是接頭具有高強度的組織基礎；不銹鋼/銅和鈮/鈦合金這2個界面處存在顏色較深的狹窄區域，這是由于界面組織復雜、成分變化大，界面易腐蝕而導致的；銅/鈮界面發生銅和鈮元素的相互擴散，但由于銅、鈮之間的固溶度比較低，因此擴散層很薄；鈮/鈦合金的界面區域較寬，這與鈮能與β-Ti無限固溶有關。由于界面處的電阻較大，通電加熱時的溫度較高，同時界面區域的成分分布不均勻，更容易發生相變和再結晶，因此15-5PH不銹鋼和TC4鈦合金在近界面處的晶粒均較細小。

由圖2可以看出，在鈮/鈦合金、銅/鈮、不銹鋼/銅等3個界面區域，鈦、鋁、鈮、銅、鐵和鉻等主要元素都發生了明顯的擴散。在鈮/鈦合金界面處，從鈮層向鈦合金方向，鈦、鋁含量增加，鈮含量降低，擴散層厚度約10 μm，鈮向鈦合金中擴散的深度比鈦向鈮層中擴散的深度大，這是因為高溫下鈦由α相向β相轉變，鈮在β相中的擴散系數比鈦在鈮中的大很多[13]；銅/鈮界面區的擴散層厚度約為5 μm，擴散層較窄，這是因為銅在鈮中的固溶度較低；不銹鋼/銅界面區的擴散層厚度約為6 μm。3個界面兩側原子都通過界面發生了相互擴散，TC4鈦合金中鈦的擴散由于其與鈮層中的鈮形成固溶體而被阻擋，終止于鈮層中；15-5PH不銹鋼中的鐵由于銅層的阻擋，只有極少量穿過銅層擴散到銅/鈮界面處，而鉻在銅中的溶解度極低，向銅層的擴散量極少。這就避免了鈦與鐵、鉻相遇而形成脆性金屬間化合物。鈮與銅發生相互擴散，在銅/鈮界面處形成固溶體。

由圖2(b)還可以看出，在銅/鈮界面處的鈮層側鐵元素出現了峰值。這是由于銅原子和鐵原子的點陣結構、原子半徑相近，不銹鋼中鐵原子通過置換銅原子擴散到銅/鈮界面。而由鐵-鈮二元相圖可知，當鐵、鈮原子比在34∶66～42∶58時就能形成金屬間化合物，因此，推測在銅/鈮界面處形成了鐵鈮金屬間化合物。

圖2 TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭界面區域的EDS線掃描結果Fig.2 EDS linear scanning results at interfaces of TC4 titanium alloy/15-5PH stainless steel joint:(a) Nb/titanium alloy interface and (b) Cu/Nb interface and stainless steel/Cu interface

2.2 拉伸性能

試驗測得TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭抗拉強度的最高值為540 MPa，最低值為502 MPa，平均值為520 MPa；相同試驗條件下TC4鈦合金的抗拉強度為950 MPa。可見接頭的平均抗拉強度達到了TC4鈦合金抗拉強度的55%，同時也高于目前國內文獻報道的TC4鈦合金與鋼焊接后接頭的抗拉強度[1,3,5,7-8,12]。

2.3 斷口形貌

拉伸后接頭在鈮+銅復合中間層中發生斷裂。由圖3可見，拉伸斷口存在3種典型斷裂形貌：區域A呈解理斷裂特征；區域B呈凸起狀，有小韌窩，為韌性斷裂；區域C較平整光滑，為脆性斷裂。由此可見，加入鈮+銅復合中間層焊接后TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭的斷裂方式比較復雜[14]。

圖3 TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭拉伸斷口的SEM形貌Fig.3 SEM micrograph showing tensile fracture of TC4 titaniumalloy/15-5PH stainless steel joint

由圖3和表1可知：位置1位于解理斷裂區，主要含有鈮元素以及少量鈦、鐵、銅元素，推測為在銅/鈮界面處近鈮側形成的固溶體；位置2位于韌性斷裂區，主要含有銅元素以及少量的鈮和鐵元素，不含鈦元素，推測為在銅/鈮界面處近銅側形成的固溶體；位置3位于脆性斷裂區，主要含有鈮和鐵元素以及少量的鈦和銅元素，推測為由擴散到銅/鈮界面處的鐵與鈮形成的Fe2Nb、Fe7Nb6金屬間化合物與銅的混合物。綜上可知：接頭的銅/鈮界面區有少量鐵鈮金屬間化合物生成，金屬間化合物的晶粒細小(見圖1)；拉伸斷裂發生在銅/鈮界面區，裂紋穿過鈮層、銅層和金屬間化合物[15]而擴展。

表1 圖3中不同位置的EDS分析結果Table 1 EDS analysis results at different positionsshown in Fig.3

圖4 TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭拉伸斷口的XRD譜Fig.4 XRD pattern of tensile fracture of TC4 titanium alloy/15-5PH stainless steel joint

由圖4可知：在接頭拉伸斷口上存在銅、鈮、Fe7Nb6、Fe2Nb等物相，Fe7Nb6和Fe2Nb相含量較少。這進一步說明在接頭的銅/鈮界面區有少量鐵鈮金屬間化合物生成。

TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼擴散焊接頭的拉伸斷裂發生在銅/鈮界面區，裂紋穿過鈮層、銅層和金屬間化合物顆粒而擴展，接頭的抗拉強度超過純銅和純鈮的，這是因為：當接頭受到拉伸作用時，強度低的銅層和鈮層發生塑性變形，強度高的母材鈦合金和不銹鋼則處于彈性變形階段，母材對中間層的塑性變形產生拘束作用，使中間層變形困難，導致接頭接觸強化[5]；此外，鐵、鉻、鈮等元素擴散到銅層中，對銅層起到固溶強化作用，進而提高了接頭的強度。擴散焊時，在1 050 ℃的短時停留可以使銅+鈮復合中間層的塑性變形更大，更有利于接頭的接觸強化；同時，較高的溫度能使中間層與鈦合金、不銹鋼母材接觸得更充分、更緊密，更有利于元素的擴散，從而實現擴散連接。

拉伸時接頭的斷裂主要穿過銅層和鈮層而發生，表明作者所采用的焊接工藝同時實現了不銹鋼/銅、銅/鈮、鈮/鈦合金的良好結合。在銅/鈮界面處生成的少量細小的鈮鐵金屬間化合物對接頭強度的影響不大，接頭強度主要受制于銅層和鈮層的性能。

3 結 論

(1) 以厚度均為100 μm的銅片和鈮片為復合中間層材料，采用階梯式加熱工藝模擬真空擴散焊制備的TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭可明顯分為鈦合金、鈮層、銅層和不銹鋼4個部分以及不銹鋼/銅、銅/鈮、鈮/鈦合金3個界面，這3個界面的過渡良好、結合緊密，界面上未見明顯的孔洞和縫隙。

(2) 接頭的平均抗拉強度達到520 MPa，遠高于純銅和純鈮的；拉伸斷裂發生在銅/鈮界面區，裂紋主要穿過銅層、鈮層和金屬間化合物而擴展，拉伸斷口呈現韌性斷裂和解理斷裂混合特征；在銅/鈮界面處存在少量細小的鈮鐵金屬間化合物，該金屬間化合物對接頭強度的影響不大。