316L 不銹鋼/T2 紫銅熱等靜壓擴(kuò)散連接接頭的微觀組織與力學(xué)性能

麻相龍，曹睿，董浩，王彩芹，張龍戈，閆英杰

(1.蘭州理工大學(xué),有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州,730050；2.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司安泰科技股份有限公司,北京,100081)

0 序言

銅/鋼異種金屬連接構(gòu)件具有獨(dú)特而優(yōu)越的綜合性能，如良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及一定的強(qiáng)度等，在電氣、電子、化工、交通和航空航天等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1-7].銅原子和鐵原子的原子序數(shù)相差不大，兩者液態(tài)下互溶，可以通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合.然而銅與鋼的連接由于兩者熔點(diǎn)相差300～400 ℃，熱導(dǎo)率相差近5 倍，銅的線(xiàn)膨脹系數(shù)比鐵高15%左右[1].這些物理性能上的較大差異使得通過(guò)傳統(tǒng)的熔化焊得到的焊接接頭易產(chǎn)生焊縫熱裂紋、熱影響區(qū)滲透裂紋等各種缺陷，冶金反應(yīng)時(shí)易產(chǎn)生金屬間化合物，進(jìn)而導(dǎo)致力學(xué)性能有所降低[1-2].目前，對(duì)于銅/鋼異種金屬連接采用釬焊和固相壓力焊均可得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭[5-8].高煒[5]采用高頻感應(yīng)釬焊工藝連接T2 紫銅與316L 不銹鋼，選用Sn-Cu 系二元共晶釬料，得到了優(yōu)良的焊接接頭，焊縫金屬間元素充分?jǐn)U散、冶金結(jié)合良好，未出現(xiàn)焊接缺陷.Zhang 等人[6]通過(guò)爆炸焊對(duì)無(wú)氧高導(dǎo)電銅板和低碳鋼板進(jìn)行連接，觀察到結(jié)合界面呈波浪狀，熔合區(qū)形成了細(xì)小的晶粒和56 nm 的納米晶粒.細(xì)晶和納米晶的加入大大改善了冶金結(jié)合界面，試樣最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到315 MPa.Suman 等人[7]采用磁脈沖焊的方法對(duì)純銅和低碳鋼管以搭接方式連接，得到成形好的焊接接頭，高能沖擊引起的應(yīng)變硬化效應(yīng)使界面鋼側(cè)顯微硬度顯著提高.

目前，與熔化焊相比，固相焊和釬焊因其較低的焊接熱輸入可有效減少焊縫和熱影響區(qū)裂紋的產(chǎn)生，但是對(duì)于一些大型的異種金屬連接構(gòu)件，涉及到的焊縫比較繁多，采用傳統(tǒng)的固相焊或釬焊工藝往往效率很低，很難滿(mǎn)足工程上批量生產(chǎn)的需求.熱等靜壓技術(shù)是20 世紀(jì)50 年代中期由美國(guó)Battelle 研究所發(fā)明，它是在一個(gè)密閉的容器中，以高壓氣體(氮?dú)狻鍤獾?為媒介，對(duì)容器內(nèi)的材料施加各向均等的靜壓力，在高溫高壓的作用下，實(shí)現(xiàn)材料的致密結(jié)合[3-4,8-9].與傳統(tǒng)固相焊相比，在異種材料連接方面，熱等靜壓擴(kuò)散連接的材料具有致密度高、冶金結(jié)合好、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn).熱等靜壓技術(shù)因其在擴(kuò)散連接方面存在巨大優(yōu)勢(shì)，在異種金屬焊接中擁有廣闊的前景[3-4]，尤其是在實(shí)際工程應(yīng)用中，熱等靜壓技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大型異種金屬構(gòu)件連接一次成形，保證連接質(zhì)量可靠性的同時(shí)大大提高了生產(chǎn)效率.就鋼/銅異種金屬熱等靜壓擴(kuò)散連接工藝展開(kāi)研究，分析了連接接頭的微觀組織、連接機(jī)理和力學(xué)性能.為工程上熱等靜壓擴(kuò)散連接鋼/銅異種金屬構(gòu)件批量化生產(chǎn)提供理論參考.

1 試驗(yàn)方法

試件尺寸均為φ55 mm × 45 mm 的316L 不銹鋼棒和T2 紫銅棒采用對(duì)接的方式裝配到包套中，經(jīng)封焊、檢漏、脫氣等常規(guī)操作流程后進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散連接.316L 不銹鋼和T2 紫銅的化學(xué)成分如表1 所示.熱等靜壓裝配示意圖如圖1 所示.試驗(yàn)所用的包套尺寸為φ60 mm × 95 mm，厚度為2.5 mm，材質(zhì)為20 鋼.采用的熱等靜壓工藝為：溫度950～ 1 000 ℃，壓力120～ 140 MPa，保溫保壓2～ 3 h，隨爐自然冷卻.

圖1 鋼/銅熱等靜壓擴(kuò)散連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel/copper HIP diffusion bonding

表1 T2 紫銅和316L 不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of the T2 copper and 316L stainless steel

熱等靜壓結(jié)束后沿著包套軸向方向線(xiàn)切割切取金相樣品，經(jīng)過(guò)磨、拋后在Zeiss Axio Observer金相顯微鏡下觀察其金相組織.同時(shí)，用JEOL JSM 720F 掃描電子顯微鏡及其附帶的Oxford X-Max能譜儀(energy dispersive spectroscopy,EDS)分析接頭微觀組織和元素?cái)U(kuò)散情況.硬度試驗(yàn)采用VH1102-01-0087 維氏顯微硬度計(jì)，以接頭分界線(xiàn)為中心，在分界線(xiàn)附近選取600 μm × 700 μm 的區(qū)域，分成100 μm × 100 μm 的小格，間隔0.1 mm 打點(diǎn)，加載載荷為9.8 N，加載時(shí)間為15 s.最終得到硬度分布云圖.拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》采用直徑φ10 mm × 65 mm 的棒狀試樣，連接界面位于試樣中間位置.采用Instron 5582 型雙立柱電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn).采用JEOL JSM 720F 型掃描電子顯微鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 銅/鋼連接接頭宏觀形貌

圖2 為熱等靜壓后316L 不銹鋼與T2 紫銅連接接頭在光學(xué)顯微鏡下的圖像.宏觀上未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋和孔洞等缺陷，初步表明接頭結(jié)合良好.

圖2 鋼/銅連接接頭宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of the steel/copper joints

圖3 為圖2 上側(cè)A 虛線(xiàn)框316L 不銹鋼的金相組織，其組織由等軸的奧氏體晶粒和δ 鐵素體相組成.圖4 為圖2 下側(cè)B 虛線(xiàn)框T2 紫銅的金相組織，晶粒長(zhǎng)大明顯，存在典型的退火孿晶組織.

圖3 316L 不銹鋼的微觀組織Fig.3 Microstructure of the 316L stainless steel

圖4 T2 紫銅的微觀組織Fig.4 Microstructure of the T2 copper

2.2 銅/鋼連接接頭微觀組織分析

圖5 為316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭的微觀形貌及其附近的析出相.圖5a 為掃描電子顯微鏡背散射模式(back scattered electron,BSE)的接頭微觀形貌，發(fā)現(xiàn)熱等靜壓后的316L 不銹鋼與T2 紫銅連接接頭呈波狀結(jié)合分布，表明熱等靜壓擴(kuò)散連接的316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭具有較高的結(jié)合強(qiáng)度.因?yàn)椴钸B接相較于平直界面增大了連接界面的接觸區(qū)域，形成相互咬合的效果，使得結(jié)合更加牢固[9].圖5b 為接頭擴(kuò)散區(qū)，對(duì)銅/鋼接頭進(jìn)行EDS 線(xiàn)掃描，結(jié)果如圖6 所示，兩側(cè)元素發(fā)生明顯的擴(kuò)散行為，形成一個(gè)寬度為3.9 μm 的擴(kuò)散層，整個(gè)擴(kuò)散層分為3 部分，分別為兩側(cè)的DAZ 區(qū)(擴(kuò)散影響區(qū)，基材相占大多數(shù))和中間的RL 層(反應(yīng)層，新相核化的區(qū)域)[10].鋼/銅熱等靜壓擴(kuò)散連接是一個(gè)固相擴(kuò)散連接的過(guò)程，兩側(cè)鐵、銅原子的擴(kuò)散機(jī)制為空位機(jī)制[2]，在高溫高壓下，通過(guò)塑性變形和擴(kuò)散反應(yīng)實(shí)現(xiàn)銅/鋼接頭的可靠連接，根據(jù)Kirkendall 效應(yīng)擴(kuò)散完成后連接界面最終向元素?cái)U(kuò)散速率快的一側(cè)移動(dòng)，Cu 原子的擴(kuò)散速率大于Fe 原子，所以連接界面最終偏向T2 側(cè)[11-14].從圖5a 可以看到，在接頭及其附近的T2 側(cè)存在襯度明顯不同于基體的相.結(jié)合圖5c接頭微觀形貌可以看到，這些區(qū)域有樹(shù)枝狀、條狀和不規(guī)則塊狀析出相產(chǎn)生，圖5d 為圖5c 虛線(xiàn)框中放大后的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝狀的析出相彌散的分布于接頭及附近T2 紫銅基體上.對(duì)接頭及其附近析出相進(jìn)行EDS 點(diǎn)掃描，點(diǎn)掃描結(jié)果如表2 所示.結(jié)合Cu-Fe 二元相圖和Cu-Ni 二元相圖，這些樹(shù)枝狀和條狀的析出相推測(cè)分別為γ-Fe 相和α(Cu,Ni)相[9-14].不規(guī)則塊狀的析出相為富Cr 相.結(jié)合圖6 的EDS 線(xiàn)掃描結(jié)果和表2的EDS 點(diǎn)掃描結(jié)果可以表明，反應(yīng)層由α(Cu,Ni)相和γ-Fe 相組成，而在T2 紫銅擴(kuò)散影響區(qū)主要為γ-Fe 相和富Cr 相.

圖5 接頭微觀形貌及其附近析出相Fig.5 Micro morphology of joint and precipitated phase near the joint.(a) BEM picture;(b) diffusion zone;(c) micro morphology of joint;(d) T2 region near the joint

圖6 圖5b 接頭擴(kuò)散區(qū)線(xiàn)掃描結(jié)果Fig.6 Line scanning results of joint diffusion zone in Fig.5b

表2 圖5a 中點(diǎn)掃描的結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 Results of point scanning in Fig.5a

2.3 連接接頭的硬度分布

為了研究連接接頭硬度分布情況，在接頭選區(qū)進(jìn)行維氏顯微硬度試驗(yàn)，獲得接頭及其附近的硬度分布云圖.從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，316L 不銹鋼側(cè)的平均硬度值最高，為130 HV0.1，316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭平均硬度高于T2 紫銅側(cè)平均硬度，接頭平均硬度為94 HV0.1.

圖7 接頭附近顯微維氏硬度分布Fig.7 Vickers microhardness distribution near the joint

接頭硬度的分布與組織分析中圖5c 所觀察到連接接頭有均勻分布的析出相有關(guān)，析出相引發(fā)的第二相強(qiáng)化機(jī)制使得接頭區(qū)域抵抗變形的能力大大提高，增加了接頭區(qū)域的硬度[9].從316L 不銹鋼側(cè)到T2 紫銅側(cè)硬度值逐漸降低，在接頭及其附近區(qū)域并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)硬度突變的現(xiàn)象發(fā)生，說(shuō)明在熱等靜壓后316L 不銹鋼/T2 紫銅擴(kuò)散界面及其附近區(qū)域并未有金屬間化合物生成，進(jìn)一步說(shuō)明界面結(jié)合較好[10].

2.4 連接接頭的抗拉強(qiáng)度

316L 不銹鋼/T2 紫銅接頭拉伸試驗(yàn)斷裂于T2 紫銅基體，可見(jiàn)接頭冶金結(jié)合質(zhì)量很好.接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率如圖8 所示，最大抗拉強(qiáng)度為165 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為30.5%，斷面收縮率為83.0%.在拉伸過(guò)程中可以觀察到明顯的“頸縮”現(xiàn)象，結(jié)合圖9 的斷面形貌可知，斷口呈現(xiàn)微孔聚集型的韌性斷裂.對(duì)斷裂原因進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)圖5c所示接頭及其附近存在的富Cr 相、α(Cu,Ni)相和γ-Fe 析出相均勻彌散分布于接頭及接頭附近的T2 紫銅基體相中，與周?chē)诲e(cuò)間發(fā)生交互作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了這些區(qū)域的強(qiáng)度，而離接頭較遠(yuǎn)的T2 紫銅基體沒(méi)有強(qiáng)化機(jī)制，且熱等靜壓過(guò)程中較大的熱輸入導(dǎo)致晶粒粗大而軟化最終發(fā)生斷裂[9,15-16].

圖8 接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率Fig.8 Tensile strength and elongation of joint

圖9 拉伸試樣的斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of the tensile specimen

3 結(jié)論

(1) 采用熱等靜壓工藝成功連接了316L 不銹鋼/T2 紫銅，接頭呈波狀結(jié)合，且連接接頭無(wú)明顯的宏觀缺陷.

(2) 在塑性變形和擴(kuò)散反應(yīng)的連接機(jī)制作用下，兩側(cè)基體主要元素通過(guò)空位機(jī)制發(fā)生明顯的擴(kuò)散，形成了厚度為3.9 μm 的擴(kuò)散層，在連接接頭及其附近的T2 紫銅側(cè)發(fā)現(xiàn)了樹(shù)枝狀γ-Fe 相、條狀α(Cu,Ni)相組織和不規(guī)則塊狀富Cr 相組織存在.

(3) 對(duì)連接接頭進(jìn)行力學(xué)性能分析表明，連接接頭平均硬度值為94 HV0.1，高于較弱T2 紫銅，但是沒(méi)有硬度突變現(xiàn)象，表明接頭沒(méi)有金屬間化合物生成，拉伸試驗(yàn)結(jié)果最終在T2 紫銅側(cè)失效斷裂，最大抗拉強(qiáng)度為165 MPa，接頭及其附近的析出相形成了第二相強(qiáng)化，而T2 紫銅由于沒(méi)有強(qiáng)化機(jī)制且熱等靜壓較大的熱輸入導(dǎo)致晶粒粗化而斷裂.