鎢銅合金與銅擴(kuò)散連接界面結(jié)構(gòu)及性能研究

代 野，李忠盛，戴明輝，陳大軍，李曉暉

(西南技術(shù)工程研究所， 重慶 400039)

鎢具有高熔點(diǎn)、高密度、高硬度、低膨脹系數(shù)以及優(yōu)異的抗腐蝕、抗氧化等固有物理化學(xué)性能和特殊功能，在兵器領(lǐng)域先進(jìn)彈藥、核工業(yè)領(lǐng)域核聚變堆偏濾器等武器裝備上實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用[1-4]。但鎢室溫強(qiáng)韌性較差，單獨(dú)采用金屬鎢并使其作為功能件或結(jié)構(gòu)件應(yīng)用受到了極大限制，將鎢和銅復(fù)合是實(shí)現(xiàn)鎢推廣應(yīng)用的有效方法。W、Cu之間互不相溶，熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等物理性質(zhì)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(kuò)散連接[7]和釬焊技術(shù)[8-10]，擴(kuò)散連接技術(shù)具有成本低、操作簡(jiǎn)單、對(duì)基體影響小、對(duì)焊件尺寸形狀要求低等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前偏濾器等武器裝備構(gòu)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(fù)合材料與Cu的擴(kuò)散連接工藝，結(jié)果表明：W-Cu與Cu連接樣品的連接界面處形成了連續(xù)、緊密的結(jié)合，拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均強(qiáng)度為168.55 MPa，接近于Cu基材的強(qiáng)度。駱瑞雪[14]研究了不同焊料對(duì)W、Cu連接強(qiáng)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(jié)合界面。如上所述，釬焊技術(shù)是實(shí)現(xiàn)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(zhì)量的關(guān)鍵因素。Ag-Cu共晶釬料對(duì)鎢銅基體均具有良好的潤(rùn)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(duì)WCu10合金與Cu進(jìn)行真空擴(kuò)散連接，研究了焊接接頭的顯微組織特征及力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

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(xué)性能參數(shù)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(hào)金相砂紙逐級(jí)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(fēng)機(jī)吹干備用。采用真空擴(kuò)散連接設(shè)備進(jìn)行焊接試驗(yàn)，具體工藝參數(shù)為：真空度為6×10-3Pa，焊接溫度為800℃，保溫時(shí)間為20 min，焊接壓力為4 MPa。針對(duì)焊后試樣在垂直于焊縫方向進(jìn)行線切割取樣，所取金相試樣規(guī)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(huán)境掃描電鏡觀察接頭界面組織形貌，采用OXFORD INCA能譜儀(EDS)進(jìn)行接頭元素分析；采用MTS 322±250 kN電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試接頭拉伸性能，采用掃描電鏡及能譜儀對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察和元素分析，采用HM-MT1000自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)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(xué)性能參數(shù)

2 結(jié)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(kuò)散連接接頭界面形貌，從圖中可以看出，焊接界面結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋孔洞缺陷，表明采用BAg72Cu中間層實(shí)現(xiàn)了WCu10與Cu的可靠連接。為進(jìn)一步分析焊接過程中焊接界面元素?cái)U(kuò)散遷移和分布情況，在接頭界面典型區(qū)域?qū)、Cu、Ag主要元素進(jìn)行了SEM-EDS面掃描分析，如圖3所示。結(jié)合分析圖2，圖3可知，WCu10/Cu接頭可分為4個(gè)區(qū)域：(1)WCu10基體；(2)L1：BAg72Cu區(qū)；(3)L2：BAg72Cu與Cu基體擴(kuò)散區(qū)；(4)Cu基體。應(yīng)該還存在一個(gè)WCu10與BAg72Cu擴(kuò)散區(qū)，雖然區(qū)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(qū)域?yàn)榭拷黈Cu10/釬料界面WCu10基體W相和Cu相部分，EDS掃描分析發(fā)現(xiàn)：靠近WCu10/釬料界面的a區(qū)域中W元素含量為87.02%，Ag元素含量為12.98%，而e區(qū)域中W元素含量為100%，并未發(fā)現(xiàn)其他元素；b區(qū)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(fā)生了部分元素?cái)U(kuò)散，經(jīng)線掃描測(cè)試，WCu10中W相與釬料擴(kuò)散層厚度約為5 μm；圖3中c區(qū)域?yàn)锽Ag72Cu區(qū)，EDS掃描分析發(fā)現(xiàn)：該區(qū)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(fā)生了擴(kuò)散，初步分析該區(qū)域組織為富Cu相+銀銅共晶的亞共晶組織；圖3中d區(qū)域EDS掃描分析發(fā)現(xiàn)：該區(qū)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(fā)生了擴(kuò)散。綜上分析，WCu10/釬料界面在釬焊過程中發(fā)生的反應(yīng)是WCu10與BAg72Cu釬料發(fā)生了部分元素?cái)U(kuò)散；釬料/Cu界面在釬焊過程中發(fā)生的主要反應(yīng)是Cu基材與釬料之間的相互擴(kuò)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(qū)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(qū)的95.2HV，維氏硬度不斷下降。進(jìn)入BAg72Cu與Cu基體擴(kuò)散區(qū)后，由于Cu元素的增加，顯微硬度繼續(xù)降低至76.2HV，進(jìn)入Cu基材區(qū)后，顯微硬度并未發(fā)生明顯變化。

圖4 WCu10/Cu焊接接頭不同區(qū)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(yàn)結(jié)果表明：接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)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(xiàn)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(duì)拉伸斷口沿晶斷裂區(qū)域和韌窩斷裂區(qū)域進(jìn)行EDS掃描分析(見如圖7)，結(jié)果表明：沿晶斷裂區(qū)整個(gè)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(qū)整個(gè)斷口由Ag元素和Cu元素組成，且Ag與Cu質(zhì)量百分比約為7∶3，這與原始釬料成分基本相當(dāng)，因而可以推斷斷裂失效發(fā)生在WCu10/BAg72Cu界面，這是因?yàn)楫惙N材料焊接過程中，因材料熱膨脹系數(shù)差異較大，焊接接頭在冷卻過程中會(huì)在靠近接頭的低熱膨脹系數(shù)材料處產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，故在WCu10側(cè)產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，成為接頭薄弱部位。

圖7 WCu10/Cu擴(kuò)散連接接頭拉伸斷口的SEM-EDS掃描分析形貌

3 結(jié)論

1) 采用BAg72Cu中間層能夠?qū)崿F(xiàn)WCu10與Cu的有效連接，WCu10/Cu界面結(jié)合良好，焊接接頭由WCu10基體、BAg72Cu區(qū)、BAg72Cu與Cu基體擴(kuò)散區(qū)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(xiàn)連續(xù)變化，BAg72Cu中間層顯微硬度略高于Fe-Cu擴(kuò)散層與Cu基材區(qū)域。

3) 焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為217.6 MPa，焊接界面實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。通過斷口形貌及EDS掃描發(fā)現(xiàn)接頭斷裂位置發(fā)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。