，,，

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽 471023；2.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471023)

0 引 言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好和密度低等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴；不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和耐高溫性能，價(jià)格相對(duì)低廉。將這兩種材料進(jìn)行焊接，所得接頭能夠充分發(fā)揮兩種材料在性能上和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢[1]，可應(yīng)用于航天航空、機(jī)械制造等領(lǐng)域。但在焊接過程中，鈦合金中的鈦元素會(huì)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(huì)因鈦合金與不銹鋼的線膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致接頭中形成較大內(nèi)應(yīng)力。在內(nèi)應(yīng)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(zhì)量[3]。目前，鈦合金與不銹鋼常采用擴(kuò)散焊進(jìn)行連接。在擴(kuò)散焊時(shí)，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(kuò)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(qiáng)度約895 MPa)與1Cr18Ni9Ti不銹鋼(抗拉強(qiáng)度約900 MPa)之間加入鎳中間層和釩+銅復(fù)合中間層后進(jìn)行了擴(kuò)散焊，發(fā)現(xiàn)：鎳中間層雖能阻止鈦和鐵元素的相互擴(kuò)散，但鎳和鈦之間也會(huì)生成金屬間化合物，所得接頭的抗拉強(qiáng)度僅約352 MPa；釩+銅復(fù)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(qiáng)度也僅約356 MPa；接頭較低的抗拉強(qiáng)度可能與焊接工藝有關(guān)。趙東升等[6-7]以鈮和鈮+銅為中間層對(duì)鈦合金和不銹鋼進(jìn)行了真空熱軋焊接，所得接頭的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到417 MPa和388 MPa。李鵬等[8]以鎳+鈮為復(fù)合中間層對(duì)鈦合金和不銹鋼進(jìn)行了擴(kuò)散焊，所得接頭的抗拉強(qiáng)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(kuò)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(fù)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(duì)TC4鈦合金和15-5PH不銹鋼進(jìn)行擴(kuò)散焊，研究了接頭的顯微組織和力學(xué)性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料：市售TC4鈦合金，退火態(tài)，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為6.10Al，3.95V，0.30Fe，0.20O，0.10C，余Ti；市售15-5PH(05Cr15Ni5Cu4Nb)不銹鋼，正火態(tài)，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)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(yàn)機(jī)上模擬真空擴(kuò)散焊接，在不銹鋼側(cè)距焊縫1 mm處焊熱電偶測溫。為了實(shí)現(xiàn)焊接面的緊密結(jié)合和原子的充分?jǐn)U散[12]，焊接時(shí)采用階梯式加熱方式；為了提高原子擴(kuò)散速率、縮短焊接時(shí)間，但又不至于使銅片熔化，最高加熱溫度應(yīng)低于銅的熔點(diǎn)1 083 ℃；為了避免發(fā)生較大塑性變形，焊接壓力應(yīng)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(yàn)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(yàn)方法

在接頭1/2半徑的位置截取金相試樣，經(jīng)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(cè)，用由20 mL HF、40 mL HNO3、94 mL H2O組成的溶液腐蝕TC4合金側(cè)后，在Axio Vert A1型光學(xué)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，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(duì)比試樣，經(jīng)歷與焊接試驗(yàn)相同的模擬過程，并在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。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(jìn)行微區(qū)成分分析。使用JSM-560D8型X射線衍射儀(XRD)對(duì)斷口進(jìn)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌和微區(qū)成分

由圖1可以看出：TC4鈦合金與15-5PH不銹鋼擴(kuò)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(gè)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(gè)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(duì)細(xì)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(chǎn)生的塑性變形有關(guān)，同時(shí)也與高溫下銅、鈮元素的擴(kuò)散有關(guān)；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(zhuǎn)變成的細(xì)片狀β相構(gòu)成，細(xì)片狀β相的形成是因?yàn)殁壥铅?Ti的穩(wěn)定元素[13]；在近鈮/鈦合金界面處(位置F)，鈦合金的晶粒較細(xì)，遠(yuǎn)離界面處的則較粗；不銹鋼/銅、銅/鈮、鈮/鈦合金這3個(gè)界面的過渡良好、結(jié)合緊密，未見明顯的孔洞和縫隙，這是接頭具有高強(qiáng)度的組織基礎(chǔ)；不銹鋼/銅和鈮/鈦合金這2個(gè)界面處存在顏色較深的狹窄區(qū)域，這是由于界面組織復(fù)雜、成分變化大，界面易腐蝕而導(dǎo)致的；銅/鈮界面發(fā)生銅和鈮元素的相互擴(kuò)散，但由于銅、鈮之間的固溶度比較低，因此擴(kuò)散層很??；鈮/鈦合金的界面區(qū)域較寬，這與鈮能與β-Ti無限固溶有關(guān)。由于界面處的電阻較大，通電加熱時(shí)的溫度較高，同時(shí)界面區(qū)域的成分分布不均勻，更容易發(fā)生相變和再結(jié)晶，因此15-5PH不銹鋼和TC4鈦合金在近界面處的晶粒均較細(xì)小。

由圖2可以看出，在鈮/鈦合金、銅/鈮、不銹鋼/銅等3個(gè)界面區(qū)域，鈦、鋁、鈮、銅、鐵和鉻等主要元素都發(fā)生了明顯的擴(kuò)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(kuò)散層厚度約10 μm，鈮向鈦合金中擴(kuò)散的深度比鈦向鈮層中擴(kuò)散的深度大，這是因?yàn)楦邷叵骡佊搔料嘞颚孪噢D(zhuǎn)變，鈮在β相中的擴(kuò)散系數(shù)比鈦在鈮中的大很多[13]；銅/鈮界面區(qū)的擴(kuò)散層厚度約為5 μm，擴(kuò)散層較窄，這是因?yàn)殂~在鈮中的固溶度較低；不銹鋼/銅界面區(qū)的擴(kuò)散層厚度約為6 μm。3個(gè)界面兩側(cè)原子都通過界面發(fā)生了相互擴(kuò)散，TC4鈦合金中鈦的擴(kuò)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(kuò)散到銅/鈮界面處，而鉻在銅中的溶解度極低，向銅層的擴(kuò)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(fā)生相互擴(kuò)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(cè)鐵元素出現(xiàn)了峰值。這是由于銅原子和鐵原子的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，不銹鋼中鐵原子通過置換銅原子擴(kuò)散到銅/鈮界面。而由鐵-鈮二元相圖可知，當(dāng)鐵、鈮原子比在34∶66～42∶58時(shí)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(qū)域的EDS線掃描結(jié)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(yàn)測得TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼接頭抗拉強(qiáng)度的最高值為540 MPa，最低值為502 MPa，平均值為520 MPa；相同試驗(yàn)條件下TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度為950 MPa?？梢娊宇^的平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到了TC4鈦合金抗拉強(qiáng)度的55%，同時(shí)也高于目前國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道的TC4鈦合金與鋼焊接后接頭的抗拉強(qiáng)度[1,3,5,7-8,12]。

2.3 斷口形貌

拉伸后接頭在鈮+銅復(fù)合中間層中發(fā)生斷裂。由圖3可見，拉伸斷口存在3種典型斷裂形貌：區(qū)域A呈解理斷裂特征；區(qū)域B呈凸起狀，有小韌窩，為韌性斷裂；區(qū)域C較平整光滑，為脆性斷裂。由此可見，加入鈮+銅復(fù)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(fù)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(qū)，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(cè)形成的固溶體；位置2位于韌性斷裂區(qū)，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(cè)形成的固溶體；位置3位于脆性斷裂區(qū)，主要含有鈮和鐵元素以及少量的鈦和銅元素，推測為由擴(kuò)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(qū)有少量鐵鈮金屬間化合物生成，金屬間化合物的晶粒細(xì)小(見圖1)；拉伸斷裂發(fā)生在銅/鈮界面區(qū)，裂紋穿過鈮層、銅層和金屬間化合物[15]而擴(kuò)展。

表1 圖3中不同位置的EDS分析結(jié)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，F(xiàn)e7Nb6和Fe2Nb相含量較少。這進(jìn)一步說明在接頭的銅/鈮界面區(qū)有少量鐵鈮金屬間化合物生成。

TC4鈦合金/15-5PH不銹鋼擴(kuò)散焊接頭的拉伸斷裂發(fā)生在銅/鈮界面區(qū)，裂紋穿過鈮層、銅層和金屬間化合物顆粒而擴(kuò)展，接頭的抗拉強(qiáng)度超過純銅和純鈮的，這是因?yàn)椋寒?dāng)接頭受到拉伸作用時(shí)，強(qiáng)度低的銅層和鈮層發(fā)生塑性變形，強(qiáng)度高的母材鈦合金和不銹鋼則處于彈性變形階段，母材對(duì)中間層的塑性變形產(chǎn)生拘束作用，使中間層變形困難，導(dǎo)致接頭接觸強(qiáng)化[5]；此外，鐵、鉻、鈮等元素?cái)U(kuò)散到銅層中，對(duì)銅層起到固溶強(qiáng)化作用，進(jìn)而提高了接頭的強(qiáng)度。擴(kuò)散焊時(shí)，在1 050 ℃的短時(shí)停留可以使銅+鈮復(fù)合中間層的塑性變形更大，更有利于接頭的接觸強(qiáng)化；同時(shí)，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(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。

拉伸時(shí)接頭的斷裂主要穿過銅層和鈮層而發(fā)生，表明作者所采用的焊接工藝同時(shí)實(shí)現(xiàn)了不銹鋼/銅、銅/鈮、鈮/鈦合金的良好結(jié)合。在銅/鈮界面處生成的少量細(xì)小的鈮鐵金屬間化合物對(duì)接頭強(qiáng)度的影響不大，接頭強(qiáng)度主要受制于銅層和鈮層的性能。

3 結(jié) 論

(1) 以厚度均為100 μm的銅片和鈮片為復(fù)合中間層材料，采用階梯式加熱工藝模擬真空擴(kuò)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(gè)部分以及不銹鋼/銅、銅/鈮、鈮/鈦合金3個(gè)界面，這3個(gè)界面的過渡良好、結(jié)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(qiáng)度達(dá)到520 MPa，遠(yuǎn)高于純銅和純鈮的；拉伸斷裂發(fā)生在銅/鈮界面區(qū)，裂紋主要穿過銅層、鈮層和金屬間化合物而擴(kuò)展，拉伸斷口呈現(xiàn)韌性斷裂和解理斷裂混合特征；在銅/鈮界面處存在少量細(xì)小的鈮鐵金屬間化合物，該金屬間化合物對(duì)接頭強(qiáng)度的影響不大。