李晗嫣，陳文革，茍曼曼

(西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

CuW70合金與純鋁的連接特性

李晗嫣，陳文革，茍曼曼

(西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

采用氬氣保護(hù)電弧熔焊和釬焊的方式實(shí)現(xiàn)對純鋁和CuW70合金的整體連接。利用金相顯微鏡、XRD、SEM、EDS、顯微硬度計(jì)和拉壓萬能試驗(yàn)機(jī)等手段研究結(jié)合界面的微觀組織、相組成、元素分布、力學(xué)性能及斷口特征。結(jié)果表明，利用電弧熔焊和釬焊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋁材與鎢銅假合金的有效連接，2種連接方式在結(jié)合界面均形成了“鋸齒狀”的過渡區(qū)，有元素的互擴(kuò)散現(xiàn)象，存在Cu0.4W0.6，CuAl，Cu9Al4和CuAl2等多種固溶體或化合物，過渡區(qū)寬約0.5～0.7 mm，兩者的結(jié)合強(qiáng)度約71～95 MPa，與鋁的強(qiáng)度極限相當(dāng)。釬焊在連接界面處表現(xiàn)為準(zhǔn)解理脆性斷裂，電弧熔焊則在界面連接處有鎢顆粒的拔出現(xiàn)象。

CuW70；鎢銅合金；純鋁；界面；連接；電弧熔焊；釬焊

W-Cu合金具有高的耐蝕性、抗氧化性、良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，因而被廣泛用作電接觸材料[1]。但W-Cu合金常要與尾部材料連接在一起，尾部材料起到支撐與導(dǎo)電的作用，也要便于加工。這就面臨兩個(gè)問題，一是選擇合適的尾部材料，二是如何將該合金與尾部材料進(jìn)行有效連接[2-4]。針對第一個(gè)問題，當(dāng)前的高壓整體觸頭的尾部材料大多采用銅和銅合金，但是銅及銅合金強(qiáng)度較低，在特殊服役條件下易腐蝕，并且世界上銅資源匱乏且市場價(jià)格較高，因此尋找替代材料成為必然。有人研究用價(jià)格較低的鋼替代銅，但材料導(dǎo)電性急劇下降。而鋁合金比銅及其合金具有更強(qiáng)的耐腐蝕性、高的比強(qiáng)度，且比重小，價(jià)格低廉，所以用鋁或鋁合金替代銅尾有較強(qiáng)的競爭力。針對鎢銅合金與其它材料的連接問題，當(dāng)前主要有螺紋連接、鉚接、釬焊、電子束焊、熱等靜壓擴(kuò)散焊及整體燒結(jié)熔滲法等，陳春煥等[5]分別采用真空擴(kuò)散焊、真空釬焊和空氣中釬焊3種方法進(jìn)行了鎢銅合金與純銅的焊接，范景蓮等[6]研究了W-Cu復(fù)合材料與Cu的擴(kuò)散連接工藝，但是這些焊接技術(shù)都集中在與銅尾的連接上，鎢銅合金與其它材料連接的報(bào)道很少。而且，研究集中在整體性能上，對異質(zhì)材料連接界面的分析較少。由于鋁與鎢銅合金兩者在化學(xué)和物理性能的巨大差異，采用傳統(tǒng)的、單一的連接技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)它們之間的有效連接。針對這一難題，本文嘗試分別采用電弧熔焊[7]和釬焊[8]的焊接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩者的有效連接，并對其結(jié)合界面和力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用的待焊母材為純鋁1045和CuW70，母材的化學(xué)成分如表1所列，基本性能如表2所列，試樣尺寸為直徑10 mm，高10 mm和直徑10 mm，高30 mm兩種。

表1 L0及CuW70的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of L0 and CuW70 alloy (mass fraction, %)

表2 L0及CuW70的基本性能[9-11]Table 2 Basic performance of L0 and CuW70 alloy[9-11]

電弧熔焊是把鎢銅合金作為一個(gè)電極、鋁材作為另一個(gè)電極，放入ZF-25型高真空電弧熔煉爐中，抽真空至10-3Pa，然后沖入氬氣，調(diào)節(jié)電流使2個(gè)電極引弧，在2個(gè)電極接觸的端部局部熔化，通過機(jī)械手使2者瞬間靠緊，然后熄弧，待接口凝固后取出試樣。釬焊是在GSL-1700X型多用管式爐中，將2種待焊棒材對接裝在石墨舟中，在5 L/h的氬氣保護(hù)下加熱到700 ℃下保溫15 min，此時(shí)一側(cè)純鋁已經(jīng)融熔化并作為釬料來潤濕母材，填充接頭間隙并與鎢銅相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接。

利用HVS-1000型顯微硬度測量儀測量結(jié)合界面附近的顯微硬度；采用HT-2402型電腦控制材料拉伸試驗(yàn)機(jī)測定連接材料的剪切強(qiáng)度。對剪切斷面，利用XRD-7000型X射線衍射儀來測定并分析界面結(jié)合處的物相，掃描范圍10°～90°，掃描速度8 (°)/min，Cu靶Kα線。利用JEM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡在不同倍數(shù)下觀察焊接試樣界面組織和成分以及斷口形貌，采用其自帶的能譜掃描儀對界面和斷口處元素成分進(jìn)行分析。

圖1 CuW/Al連接界面處X-射線衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of CuW/Al joints transition zone

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)合界面的顯微組織結(jié)構(gòu)觀察與分析

圖1所示為CuW/Al電弧熔焊連接界面處的X射線衍射圖譜，2種連接界面的X射線衍射圖譜相同?？梢钥闯鲈诮Y(jié)合界面生成了Cu0.4W0.6固溶體及CuAl、Cu9Al4和CuAl2化合物。在氬氣氣氛條件下，真空電弧能瞬間產(chǎn)生超高溫，使相互沒有溶解度的銅與鎢在鋁元素的促進(jìn)作用下形成Cu0.4W0.6固溶體。此外，參考銅鋁二元合金相圖[12]可知，銅鋁之間有較大的親和力，除形成固溶體外還會形成多種金屬間化合物。在加熱過程中，銅、鋁原子在熱激活作用下相互擴(kuò)散。開始時(shí)銅原子會迅速擴(kuò)散到鋁側(cè)，在溫度為150 ℃時(shí)，界面處首先形成 CuAl2；然后隨著鋁原子不斷向鎢銅側(cè)擴(kuò)散，350 ℃時(shí)在鎢銅側(cè)會出現(xiàn)化合物Cu9Al4的附加層；最后隨溫度升高，元素進(jìn)一步擴(kuò)散，在400 ℃時(shí)CuAl2與Cu9Al4之間會發(fā)生反應(yīng)形成CuAl層。這些相都是從Al基體擴(kuò)散過來的Al原子與鎢銅基體側(cè)Cu原子結(jié)合而形成的金屬間化合物。銅鋁原子在結(jié)合界面上相互擴(kuò)散，通過晶間滲透使得待連接表面處的原子間間距減小，通過2者之間相互吸引的范德華力和 2種金屬間的晶間滲透作用來實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，進(jìn)而用界面處的化合物來實(shí)現(xiàn)原子之間連接的目的。

圖2所示為CuW/Al連接界面結(jié)合處的SEM照片，圖2(a1)和(a2)為釬焊界面照片，圖2(b1)和(b2)為電弧熔焊界面照片。在低倍下觀察熔釬焊界面(圖 2(a1))可以看到，鎢銅合金與鋁結(jié)合良好，沒有明顯的焊縫；結(jié)合高倍組織(圖 2(a2))可以看出，結(jié)合區(qū)主要由塊狀的深灰色鋁基體相、片狀的灰色Cu-Al金屬間化合物相、以及顆粒狀亮白色的鎢顆粒相組成。由圖 2(b1)可以看出電弧熔焊界面存在較寬的過渡區(qū)，結(jié)合高倍組織形貌(圖2(b2))可以看出，2種基體材料在結(jié)合界面形成了“鋸齒狀”的分界線，兩側(cè)的基體材料都有互滲現(xiàn)象，只不過電弧熔焊瞬間的溫度較高，形成的相互滲透更加明顯(比較圖a與圖b)。同時(shí)，由圖可大致算出過渡區(qū)的寬度，其中熔釬焊界面的過渡區(qū)寬約0.5 mm，而電弧熔焊界面的過渡區(qū)較寬(約0.7 mm)，過渡區(qū)產(chǎn)生的金屬間化合物不利于界面的電導(dǎo)率。

圖2 CuW/Al接頭結(jié)合界面處的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of CuW/Al connect interface

2.2 連接接頭強(qiáng)度的測試結(jié)果與分析

圖3所示為CuW/Al結(jié)合界面處測試顯微硬度的形貌圖與顯微硬度分布曲線，圖3(a)和(b)分別為釬焊和電弧熔焊CuW/Al結(jié)合界面處的顯微硬度形貌圖，圖3(c)為二者的硬度分布曲線。由圖3(a)和(b)可以看出，釬焊結(jié)合界面過渡區(qū)內(nèi)的壓痕較電弧熔焊結(jié)合界面過渡區(qū)內(nèi)的壓痕大，說明其硬度值較小，但比兩側(cè)基體的硬度高。這是因?yàn)椴还苁氢F焊還是電弧熔焊，在界面過渡區(qū)均生成了多種金屬間化合物或固溶體，這些金屬間化合物具有較高的硬度及電阻率[13-14]，它們的存在會提高基體的硬度。但是電弧熔焊結(jié)合界面的硬度更高，是因?yàn)殡娀∷查g的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過釬焊的700 ℃，而在高溫下會形成更多的銅鋁金屬間化合物。圖 3(c)中的曲線也證明了這一點(diǎn)，中間過渡區(qū)左邊是鋁基體，右邊是鎢銅合金，顯然鎢銅合金的硬度較鋁基體高，這與實(shí)驗(yàn)材料的原始數(shù)據(jù)基本一致。對比分析圖3(c)中的曲線a和b可知，熔釬焊接頭的熱影響區(qū)較窄(約0.5 mm)，而電弧熔焊接頭的熱影響區(qū)較寬(約0.7 mm)，與之前SEM照片的估計(jì)值相符。

圖4所示為不同工藝連接CuW/Al材料在結(jié)合界面處的剪切實(shí)驗(yàn)曲線。由圖可以看出，2種連接鎢銅-鋁的技術(shù)手段，其剪切力均隨位移量增加先呈現(xiàn)線性增加，在12.2 kN時(shí)發(fā)生屈服后，隨位移量的增加強(qiáng)度變化不大，在達(dá)到極大值后突然減小，說明發(fā)生剪切斷裂，2條曲線的最大強(qiáng)度差別不大。另外，根據(jù)剪切曲線彈性變形的陡峭程度可知，釬焊連接基本上不發(fā)生塑性變形，伸長率小于 2%，而電弧熔焊連接則有明顯的塑性變形，伸長率約為 7%，但釬焊在較高載荷處持續(xù)的時(shí)間較長，說明釬焊比電弧熔焊更加有利于2者的連接。另外，從曲線圖可以看出，電弧熔焊接頭能承受的最大載荷為14.27 kN，相應(yīng)的剪切強(qiáng)度為τ=p/s=56.8 MPa，釬焊接頭的最大載荷為14.36 kN，相應(yīng)的剪切強(qiáng)度為57.1 MPa。對于同種塑性材料的許用剪應(yīng)力[τ]與許用拉應(yīng)力[σ]之間存在如下的大致關(guān)系[15]：[τ]=(0.6～0.8) [σ]，因此可估計(jì)電弧熔焊接頭結(jié)合界面的拉伸強(qiáng)度范圍為71～94.67 MPa，釬焊接頭結(jié)合界面的拉伸強(qiáng)度范圍為71.4～95.2 MPa。而純鋁基體的抗拉強(qiáng)度約為100 MPa，對比分析可知，接頭抗拉強(qiáng)度較低，與鋁基體側(cè)基本相當(dāng)，這主要是因?yàn)榇B接材料鋁本身強(qiáng)度較低。另外也說明釬焊比電弧熔焊的連接強(qiáng)度高，這與前面的分析一致。

圖3 CuW/Al結(jié)合界面的顯微硬度形貌圖與分布曲線Fig.3 Micro-hardness microstructure and distribution curve of CuW/Al joint interface

圖4 CuW/Al結(jié)合界面的剪切強(qiáng)度曲線Fig.4 Shear strength curve of CuW/Al binding interface

2.3 連接斷口形貌的觀察與分析

圖5所示為CuW/Al電弧熔焊剪切試樣連接界面的斷口SEM圖。其中圖5(a1)，(a2)和(a3)是鋁側(cè)斷口形貌圖，圖5(b1)，(b2)和(b3)是鎢銅側(cè)斷口形貌圖。由圖可以看出，在低倍下(見圖 5(a1)和(b1))兩側(cè)斷口平齊，只不過在表面有相互的附著物，即鋁基體上有銅粘附，而鎢銅基體上則有少量的鋁或鋁銅化合物，無明顯塑性變形。在高倍下(見圖5(a3)和(b3))兩側(cè)基體的斷口形貌基本一樣，在暗灰色的“凹坑狀”連接物上分布著亮白色“不規(guī)則狀”的凸起顆粒物，由能譜可知，這些亮白色凸起顆粒為鎢，而凹坑狀的物質(zhì)則是銅或鋁。說明剪切斷裂時(shí)，硬質(zhì)的鎢顆粒從軟基體銅或鋁上拔出，形成類似韌窩狀的斷口形貌。這是因?yàn)殒u銅合金是粉末冶金技術(shù)制備的假合金，2者沒有形成真正的冶金結(jié)合，在熔焊的瞬間，鋁只是與銅發(fā)生反應(yīng)，未與鎢形成形相應(yīng)的化合物。當(dāng)然，從另一方面也證明了鎢銅合金與鋁材的良好結(jié)合，鎢顆粒被液相的鋁基體包裹。

圖5 電弧熔焊CuW/Al連接界面剪切試樣的斷口SEM圖Fig.5 Shear fracture surface SEM images of arc welded CuW/Al connection interface

圖6所示為釬焊CuW/Al連接試樣斷口經(jīng)不同倍數(shù)放大的SEM照片，圖6(a1)，(a2)和(a3)是鋁基體側(cè)，圖 6(b1)，(b2)和(b3)是鎢銅合金側(cè)。在低倍下觀察(圖6(a1)和(b1))可看出，斷口表面粗糙且富有金屬光澤，兩側(cè)基本無塑性變形，斷口均為暗灰色，有細(xì)小的旋渦狀紋理及短棒狀的撕裂棱，并伴隨有脫落物。觀察鋁基體斷口側(cè)(圖 6(a1)、(a2)和(a3))發(fā)現(xiàn)只有黑色鋁基體和亮白色銅相，而鎢銅合金斷口側(cè)(圖6(b1)、(b2)和(b3))發(fā)現(xiàn)除了有銅基體和鋁相外，還存在一些白色片狀新相，根據(jù)能譜原子比可知主要成分是 CuAl或CuAl2，這是釬焊瞬間銅與鋁反應(yīng)生成的Cu-Al金屬間化合物，這些金屬間化合物具有較高的硬度及電阻率，均屬于硬脆相，這些硬脆金屬間化合物相的存在是接頭具有較高結(jié)合強(qiáng)度的原因之一。

3 結(jié)論

1) 釬焊與電弧熔焊均可實(shí)現(xiàn)鎢銅合金與鋁或鋁合金的有效連接，在連接處形成鋸齒狀的結(jié)合界面，存在約 0.5～0.7 mm寬度的過渡區(qū)，有元素互擴(kuò)散現(xiàn)象，形成Cu0.4W0.6，CuAl，Cu9Al4和CuAl2等多種固溶體或化合物，結(jié)合界面良好。

2) 電弧熔焊接頭連接強(qiáng)度的范圍為71～95 MPa，釬焊接頭連接強(qiáng)度的范圍為71.4～95.2 MPa，釬焊在界面處表現(xiàn)為準(zhǔn)解理脆性斷裂，而電弧熔焊則在界面處有鎢顆粒的拔出現(xiàn)象。兩者相比較，釬焊技術(shù)能更好地實(shí)現(xiàn)鎢銅合金與鋁或鋁合金的有效連接。

圖6 熔釬焊CuW/Al連接界面的斷口SEM圖Fig.6 The shear fracture surface SEM images of melting brazing welded CuW/Al connection interface

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(編輯 高海燕)

Characteristic of tungsten copper alloy and pure aluminum joint

LI Hanyan, CHEN Wenge, GOU Manman
(School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Argon gas shielded arc welding and brazing were used to join the pure aluminum with CuW70 alloy. The microstructure, phase composition, elemental distribution, fracture characteristics and mechanical properties of the joints interface were studied by metallographic microscope, XRD, SEM, EDS, micro-hardness tester and tension and compression testing machine. The results show that the tungsten copper alloy and pure aluminum can be effective connected by arc welding and brazing technology. The “zigzag” transition zone is formed in the bonding interface by both two connections, in which the element mutual diffusion phenomenon appears. There existes solid solution or compounds in the bonding interface, such as Cu0.4W0.6, CuAl, Cu9Al4and CuAl2. The width of the transition zone is 0.5-0.7 mm. The bonding strength between CuW70 alloy and pure aluminum is approximately 71-95 MPa, which is equal to that of pure aluminum. The melting brazing presents quasi-cleavage brittle fracture at connection interface while the arc welding exhibits the phenomenon of tungsten particles being pulled out.

CuW70; tungsten copper alloy; pure aluminum; interface characteristic; connection; shielded arc welding; brazing

TG115

A

1673-0224(2017)01-94-07

西安市科技攻關(guān)項(xiàng)目(CXY1342(2))

2016-01-21；

2016-03-16

陳文革，教授，博士。電話：1357289325；E-mail: wgchen001@263.net