鈦銅異種金屬CMT熔覆成形特性研究

周嘉悅 李曉鵬 陳海瑞 彭勇 王克鴻

摘要： ?采用直徑1.2 mm的S201特制紫銅焊絲在Ti-6Al-4V鈦板上進(jìn)行CMT電弧熔絲增材制造制備了鈦/銅復(fù)合結(jié)構(gòu)，工藝參數(shù)為沉積速度5 mm/s、焊接電流43 A、電弧電壓8.4 V、送絲速度3 m/min。結(jié)果表明，增材試樣基板-成形層界面由4層顯微組織構(gòu)成，即鈦層、脆性金屬間化合物TiCu和Ti2Cu組成的近鈦側(cè)針狀層、彌散分布著Ti5Si3的銅基固溶體組成的近銅側(cè)深色彌散層以及彌散分布著黑色細(xì)小硅化物的柱狀銅層。第二層銅和第三層銅間潤濕性較差，熔寬較小。單道多層試樣基板平均硬度為263 HV，成形層頂部硬度均接近50 HV，基板-成形層界面附近硬度很高，最高達(dá)到444 HV。

關(guān)鍵詞： ?CMT電弧熔絲增材制造; 鈦/銅復(fù)合結(jié)構(gòu); 顯微組織; 硬度

中圖分類號(hào)： TG 442

Study on metallurgical behavior of interface of the titanium/copper composite structure obtained by CMT additive manufacturing

Zhou Jiayue， Li Xiaopeng， Chen Hairui， Peng Yong， Wang Kehong

（School of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210096， China）

Abstract： ?In this paper， S201 special red copper welding wire with 1.2 mm was used for additive manufacturing on Ti-6Al-4V titanium plate by using cold metal transfer （CMT） in order to obtain the titanium/copper composite structure. The optimized process parameters after comparative tests are as follows， the deposition speed is 5 mm/s， the welding current is 43 A， the arc voltage is 8.4 V， the feeding speed of wire is 3 m/min. The results show that the interface between substrate and forming layer of additive manufacturing samples is composed of four microstructure layers， namely titanium layer， needle-like layer which consists of brittle intermetallic compounds TiCu and Ti2Cu， dark copper layer with Ti5Si3， columnar copper layer where there are some small black silicides. The second and the third copper layer has poor wettability. The average hardness of the substrate is 263 HV， the average hardness of the top of the forming layer is close to 50 HV， the hardness of the interface between substrate and forming layer is very high， reaching up to 444 HV.

Key words： ?CMT additive manufacturing; titanium/copper composite structure; microstructure; hardness

0 前言

隨著時(shí)代發(fā)展對(duì)制造工藝和加工技術(shù)的要求日益提高，焊接構(gòu)件除了需要具備優(yōu)良的力學(xué)性能，還需要滿足導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、耐磨性等綜合指標(biāo)要求。在工程應(yīng)用中，單一材料的構(gòu)件很少能同時(shí)滿足這些指標(biāo)，而異種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)則同時(shí)擁到兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，性能優(yōu)良且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，在國內(nèi)外得到越來越多的關(guān)注 [1-2]。

銅及其合金導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，并具有良好的延展性和耐腐蝕性 [3]。鈦合金密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性 好，是目前常用的輕質(zhì)化合金 [4-8]。若采用鈦合金替? 代傳統(tǒng)的銅鋼組合中的鋼，形成鈦銅雙金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，不僅保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，而且還實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化需求。CMT電弧熔絲增材制造技術(shù)具有效率高、經(jīng)濟(jì)性好、組織化學(xué)成分?jǐn)U散均勻的優(yōu)點(diǎn)，因此在異種金屬增材界面控制方面具有特殊優(yōu)勢(shì) [9-12]。

針對(duì)鈦銅異種金屬CMT電弧熔絲增材制造過程中成形差且機(jī)理不明確及界面冶金行為研究不充分等問題，采用組織分析的手段，研究鈦銅異種金屬增材制造過程中熔池動(dòng)態(tài)行為、鈦/銅界面冶金行為，對(duì)鈦銅異種金屬CMT電弧熔絲沉積增材成形機(jī)制及冶金行為進(jìn)行初步探索，為異種金屬零件制造技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)使用的基板為Ti-6Al-4V鈦合金，填充金屬絲材為1.2 mm的S201特制紫銅，保護(hù)氣體為純氬氣，氣體流量為25 L/min。基板與填充焊絲的主要成分見表1～2。

Ti-Cu金屬間化合物在這六個(gè)反應(yīng)中的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能計(jì)算如下

ΔG（TiCu）=ΔH（TiCu）-TΔS（TiCu）? （9）

ΔG（Ti2Cu）=ΔH（Ti2Cu）-TΔS（Ti2Cu）? （10）

ΔG（TiCu2）=ΔH（TiCu2）-TΔS（TiCu2）? （11）

ΔG（TiCu4）=ΔH（TiCu4）-TΔS（TiCu4）? （12）

ΔG（Ti2Cu3）=ΔH（Ti2Cu3）-TΔS（Ti2Cu3）? （13）

ΔG（Ti3Cu4）=ΔH（Ti3Cu4）-TΔS（Ti3Cu4） ???（14）

表4為上述各相的熱力學(xué)參數(shù) [ 13 ]，圖9為上述各相的生成自由能隨溫度的變化曲線。

由圖9可知，在Ti-6Al-4V基板上沉積銅層的過程中，反應(yīng)式（3）～（8）中各Ti-Cu金屬間化合物的Gibbs生成自由能都小于零。不考慮動(dòng)力學(xué)，這些反應(yīng)都可以自發(fā)進(jìn)行。相比之下，ΔG（Ti2Cu）和ΔG（TiCu）最小，在1 083 ℃（S201特制紫銅的熔點(diǎn)）左右，兩者接近-13 kJ/mol，因此這兩個(gè)反應(yīng)的推動(dòng)力較大，在冷卻過程中，Ti2Cu相和TiCu相很容易生成，因此鈦/銅界面處主要分布著Ti2Cu相和TiCu相。

2.3 鈦/銅界面力學(xué)特征

從Ti-6Al-4V鈦合金基板中部至成形層頂部選取一條直線測(cè)量此直線上各處的維氏硬度，各試樣維氏硬度分布，如圖10所示。由圖10可知，單道一層的試樣整體硬度波動(dòng)不明顯，從基板至成形層硬度逐漸下降，從300 HV降至201 HV。單道多層的四個(gè)試樣基板硬度平均263 HV，4個(gè)試樣均在基板-成形層界 面附近硬度明顯升高，其中單道三層試樣在基板-成? 形層界面硬度提高最明顯，達(dá)到444 HV。隨著距離界面的距離增加，單道多層四個(gè)試樣的硬度逐漸降低，最終在成形層頂部硬度降低至50 HV左右，接近純銅的硬度。單道多層的四個(gè)試樣整體硬度曲線在多重?zé)崽幚淼挠绊懴孪壬仙笙陆?，單道三層的整體硬度曲線最高，即三重?zé)崽幚碜饔孟?，整體硬度達(dá)到最大值，四重?zé)崽幚砗臀逯責(zé)崽幚碜饔孟?，整體硬度下降。

單道單層試樣的硬度從基板至成形層均勻下降，沒有出現(xiàn)波動(dòng)。經(jīng)過能譜線掃描分析，可能是由于此時(shí)Ti元素、V元素?cái)U(kuò)散較好，組織分布較均勻，因此硬度分布較均勻。

單道多層試樣在基板-成形層界面硬度值突然升高，分析認(rèn)為一方面是由于此處形成了硬度很高的金屬間化合物 TiCu和Ti2Cu，另一方面可能是由于 Ti-6Al-4V鈦合金基板中的Al元素、V元素?cái)U(kuò)散至成形? 層形成固溶強(qiáng)化，導(dǎo)致硬度上升。

單道多層的4個(gè)試樣整體硬度曲線在前三重?zé)崽幚砗笊?，在第四、五重?zé)崽幚砗笙陆担治稣J(rèn)為在沉積一至三層銅的過程中，雖然熱循環(huán)作用下一部分Al元素、V元素向更高的銅層擴(kuò)散，導(dǎo)致其含量下降，但同時(shí)多重?zé)崽幚碇厝圩饔靡彩光伝迦刍吭龃?，有更多的Al元素、V元素進(jìn)入熔池，因此銅沉積層中Al元素、V元素含量上升，故固溶強(qiáng)化效果提升。三重?zé)崽幚碜饔孟?，固溶?qiáng)化效果最好，試樣整體硬度達(dá)到最高值。當(dāng)成形層數(shù)達(dá)到四層時(shí)，新沉積層對(duì)距離較遠(yuǎn)的鈦基板的重熔作用減弱，熔池中Al元素、V元素的補(bǔ)充跟不上熱循環(huán)作用下的擴(kuò)散，導(dǎo)致Al元素、V元素含量下降，固溶強(qiáng)化效果下降，同時(shí)銅層中柱狀晶組織和近鈦側(cè)針狀組織在多重?zé)嵫h(huán)作用下變得粗大，綜合效應(yīng)導(dǎo)致成形層數(shù)大于三層后試樣整體硬度逐漸下降。

3 結(jié)論

（1）CMT電弧熔絲沉積增材制造單道單層鈦銅試樣的主要影響因素是沉積速度和焊接電流。當(dāng)工藝參數(shù)為沉積速度5 mm/s、焊接電流43 A、電弧電壓8.4 V、送絲速度3 m/min時(shí)，沉積層連續(xù)、致密，且均勻地在Ti-6Al-4V基板鋪展，沒有缺陷，成形美觀。

（2）鈦銅增材試樣基板-成形層界面由4層組織構(gòu)成，即鈦層、脆性金屬間化合物TiCu和Ti2Cu組成的近鈦側(cè)針狀層、主要成分為銅基固溶體的近銅側(cè)深色彌散層和彌散分布著黑色細(xì)小硅化物的柱狀銅層。前期增材過程中，銅導(dǎo)熱系數(shù)高，基板冷卻速度快，第二、三層銅界面處溫度下降快，潤濕性和鋪展性較差，因此第二、三層銅界面熔合性較差，在殘余應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋、未融合等問題。

（3）硬度測(cè)試結(jié)果顯示，單道一層試樣從基板至成形層硬度從300 HV降至201 HV。單道多層的4個(gè)試樣基板硬度平均263 HV，成形層頂部硬度均接近50 HV，4個(gè)試樣均在基板-成形層界面附近硬度明顯升高，其中單道三層試樣的基板-成形層界面硬度最高，達(dá)到444 HV。單道多層的4個(gè)試樣整體硬度曲線在多重?zé)崽幚淼挠绊懴孪壬仙笙陆?，單道三層試樣的整體硬度曲線最高，即三重?zé)崽幚碜饔孟?，整體硬度達(dá)到最大值，四重?zé)崽幚砗臀逯責(zé)崽幚碜饔孟拢w硬度下降。

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收稿日期： ?2019-08-09

周嘉悅簡介： ?1997年出生，碩士研究生;主要研究方向?yàn)楫惙N材料連接技術(shù);2896613952@qq.com。