鎢銅合金與銅擴散連接界面結構及性能研究

代 野，李忠盛，戴明輝，陳大軍，李曉暉

(西南技術工程研究所， 重慶 400039)

鎢具有高熔點、高密度、高硬度、低膨脹系數以及優異的抗腐蝕、抗氧化等固有物理化學性能和特殊功能，在兵器領域先進彈藥、核工業領域核聚變堆偏濾器等武器裝備上實現了廣泛應用[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構件應用受到了極大限制，將鎢和銅復合是實現鎢推廣應用的有效方法。W、Cu之間互不相溶，熱膨脹系數、熔點等物理性質上的較大差異，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[8-10]，擴散連接技術具有成本低、操作簡單、對基體影響小、對焊件尺寸形狀要求低等優勢，是當前偏濾器等武器裝備構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，結果表明：W-Cu與Cu連接樣品的連接界面處形成了連續、緊密的結合，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形成了良好的結合界面。如上所述，釬焊技術是實現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量的關鍵因素。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。

1 實驗

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備進行焊接試驗，具體工藝參數為：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自動轉塔數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

2 結果與討論

2.1 焊接接頭界面組織及元素分布

圖2為WCu10/Cu擴散連接接頭界面形貌，從圖中可以看出，焊接界面結合良好，未發現明顯的裂紋孔洞缺陷，表明采用BAg72Cu中間層實現了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，在接頭界面典型區域對W、Cu、Ag主要元素進行了SEM-EDS面掃描分析，如圖3所示。結合分析圖2，圖3可知，WCu10/Cu接頭可分為4個區域：(1)WCu10基體；(2)L1：BAg72Cu區；(3)L2：BAg72Cu與Cu基體擴散區；(4)Cu基體。應該還存在一個WCu10與BAg72Cu擴散區，雖然區域不大，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掃描分析發現：靠近WCu10/釬料界面的a區域中W元素含量為87.02%，Ag元素含量為12.98%，而e區域中W元素含量為100%，并未發現其他元素；b區域中Ag元素含量為77.27%，Cu元素含量為22.73%，表明WCu10與BAg72Cu釬料發生了部分元素擴散，經線掃描測試，WCu10中W相與釬料擴散層厚度約為5 μm；圖3中c區域為BAg72Cu區，EDS掃描分析發現：該區域由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發生了擴散，初步分析該區域組織為富Cu相+銀銅共晶的亞共晶組織；圖3中d區域EDS掃描分析發現：該區域Cu元素含量為92.01%，Ag元素含量為7.99%，表明BAg72Cu向Cu基材同樣發生了擴散。綜上分析，WCu10/釬料界面在釬焊過程中發生的反應是WCu10與BAg72Cu釬料發生了部分元素擴散；釬料/Cu界面在釬焊過程中發生的主要反應是Cu基材與釬料之間的相互擴散。

2.2 焊接接頭顯微硬度分析

圖4為從WCu10基材到Cu基材方向上不同區域顯微硬度曲線。從圖中可以看出，由WCu10基材開始的334.8HV到BAg72Cu區的95.2HV，維氏硬度不斷下降。進入BAg72Cu與Cu基體擴散區后，由于Cu元素的增加，顯微硬度繼續降低至76.2HV，進入Cu基材區后，顯微硬度并未發生明顯變化。

圖4 WCu10/Cu焊接接頭不同區域顯微硬度曲線

2.3 焊接接頭拉伸性能與斷口分析

圖5為WCu10/Cu焊接接頭拉伸試樣示意圖，拉伸試驗結果表明：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域和韌窩斷裂區域進行EDS掃描分析(見如圖7)，結果表明：沿晶斷裂區整個斷口由Cu元素和W元素組成，且W元素含量較高，Cu元素含量較低；韌窩斷裂區整個斷口由Ag元素和Cu元素組成，且Ag與Cu質量百分比約為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材料處產生較高的熱應力，故在WCu10側產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

3 結論

1) 采用BAg72Cu中間層能夠實現WCu10與Cu的有效連接，WCu10/Cu界面結合良好，焊接接頭由WCu10基體、BAg72Cu區、BAg72Cu與Cu基體擴散區和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連續變化，BAg72Cu中間層顯微硬度略高于Fe-Cu擴散層與Cu基材區域。

3) 焊接接頭的平均抗拉強度為217.6 MPa，焊接界面實現了冶金結合。通過斷口形貌及EDS掃描發現接頭斷裂位置發生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。