銅/鈦復(fù)合板的攪拌摩擦焊接

　　復(fù)合板由于具兩種或兩種以上材料的性能，引起了許多學(xué)者[1-2]的重視，做了很多的研究工作，并取得了一定的工 程實(shí)際效應(yīng)。于昕等人[3]對鋼/銅/鈦擴(kuò)散界面進(jìn)行了分析，結(jié)果表明界面出現(xiàn)了3種不同的金屬間化合物，TiCu，TiCu2，βTiCu4，并且擴(kuò)散 時(shí)間對界面強(qiáng)度的影響存在一個(gè)臨界區(qū)間, 擴(kuò)散時(shí)間超過臨界區(qū)間時(shí)，剪切強(qiáng)度開始下降。趙應(yīng)富等人[4]研究了銅鈦復(fù)合板界面強(qiáng)度的影響因素，發(fā)現(xiàn)加熱溫度起到主要的支配作用，加熱溫度超過 700℃將影響復(fù)合板的質(zhì)量。

　　攪拌摩擦加工(Friction stir processing 縮寫為FSP)是由美國密蘇里大學(xué)的R S MISHIRA[5]于2000年基于攪拌摩擦焊工藝提出的材料改性與制備新技術(shù)。FSP主要用于制備表面復(fù)合材料，如鋁基、鎂基表面復(fù)合材料[6]，并 取得了一定的成效，但對于異種材料的復(fù)合研究較少。本文采用攪拌摩擦加工法，在銅板上進(jìn)行攪拌摩擦加工，探索用該方法制備銅/鈦復(fù)合材料的可行性。

　　2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　試驗(yàn)材料為4mm厚的T2紫銅板及2mm厚的TC4鈦合金板，其化學(xué)成分見附表。

　　用自制的焊接夾具在X53K型立式銑床改裝成的攪拌摩擦焊設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min, 焊接速度為23.5mm/min，攪拌頭傾角2°，攪拌頭軸肩直徑為26mm，攪拌針直徑為10mm，長度為3.4mm。

　　垂直于焊縫方向截取試樣，進(jìn)行界面形貌觀察。采用不同腐蝕劑分別侵蝕接頭不同的部位。其中，銅側(cè)用三氯化鐵-鹽酸-酒精溶液腐蝕，鈦側(cè)用氫氟酸-硝酸-蒸 餾水(13：26：100)，腐蝕后用清水清洗，并用酒精吹干。采用401MVD數(shù)顯顯微硬度計(jì)，對試樣進(jìn)行硬度測試分析。利用Quanta 200型掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭元素分布情況。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　圖 1為不同攪拌針插入量下銅/鈦復(fù)合板的橫截面宏觀形貌圖，圖1(a)和(b)焊核形貌為洋蔥環(huán)狀，界面較平整;圖1(c)和(d)焊核形貌出現(xiàn)收縮，團(tuán)聚 現(xiàn)象，界面呈波浪狀。圖2為圖1中各個(gè)區(qū)域微觀的放大圖，圖2(a)界面處，兩者并沒有結(jié)合，界面處開裂;圖2(b)、(c)、(d)界面處兩者連接良 好，表現(xiàn)為波浪形態(tài)。

　　攪拌針插入量較小時(shí)，攪拌針只是在復(fù)板(銅板)上行走，并沒有接觸到基板(鈦板)，因此接頭保留了銅攪拌摩擦焊時(shí)，常見的焊核形貌特征——洋蔥環(huán)[7]。異 種金屬的連接，界面往往作為一個(gè)復(fù)雜、重要的過渡區(qū)域。銅/鈦板接觸表面凹凸不平，在攪拌工具軸向壓力作用下，凹凸不平的表面，首先咬合貼緊。正是由于攪 拌針沒有接觸到基板，基板僅僅受攪拌工具的軸向壓力和復(fù)板傳導(dǎo)的熱的影響，但兩者的作用不足以讓復(fù)合板產(chǎn)生機(jī)械連接，在冷卻收縮后復(fù)板和基板容易脫離。攪 拌針插入量增加時(shí)，攪拌針離底板越來越近，基板受復(fù)板熱傳導(dǎo)的影響增強(qiáng)，基板氧化膜與基體的膨脹系數(shù)不同，并在基板中出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致氧化膜脫落、剝離基 體, 而進(jìn)入界面另一側(cè)。塑性較差的氧化膜和塑性較強(qiáng)的銅混合后，勢必會(huì)阻礙焊核處金屬的流動(dòng)，因此焊核形貌出現(xiàn)了收縮、團(tuán)聚。

　　從垂直銅/鈦復(fù)合板界面線掃描的結(jié)果可以看出，界面兩側(cè)Cu、Ti元素進(jìn)行了互擴(kuò)散，界面銅側(cè)Ti元素的擴(kuò)散量要大于界面鈦側(cè)Cu元素的擴(kuò)散量，如圖3所 示。由Arrhenius公式[8]可知，一定條件下元素的擴(kuò)散行為主要與溫度和擴(kuò)散激活能有關(guān)，僅考慮溫度對擴(kuò)散的影響，不難解釋界面兩側(cè)的元素?cái)U(kuò)散行 為不一樣的現(xiàn)象。復(fù)板的溫度高于基板的溫度，并且復(fù)板攪拌區(qū)的金屬處于塑化狀態(tài)，這樣有利于Ti 元素向復(fù)板擴(kuò)散，基板的金屬處于剛性狀態(tài)，不利于Cu元素向基板擴(kuò)散，這也是圖中兩種元素?cái)U(kuò)散量不同的原因之一。

　　對接頭進(jìn)行硬度測試，結(jié)果說明了銅側(cè)的硬度數(shù)值已經(jīng)和銅的攪拌摩擦焊[9]的硬度分布曲線存在差別，這也與元素的擴(kuò)散行為有關(guān)，如圖4所示。復(fù)板中的溫度較 高，對復(fù)板起到了退火的作用，使銅母材的硬度數(shù)值在85 HV左右。除了銅母材外，其他區(qū)域的硬度數(shù)值都在100HV以上，焊核區(qū)域出現(xiàn)了軟化的現(xiàn)象，但數(shù)值依然高于100HV。焊核區(qū)的晶粒雖然很細(xì)小, 但是由于位錯(cuò)密度的下降和第二強(qiáng)化相的溶解，使得焊核區(qū)相比其他區(qū)域的硬度數(shù)值要小。最高的硬度數(shù)值出現(xiàn)在焊核和熱力影響區(qū)的交界處。銅側(cè)由于受Ti元素 擴(kuò)散的影響，鈦和銅生成某種金屬間化合物，使得硬度數(shù)值整體上升，并且銅側(cè)離界面越近，這種現(xiàn)象就越明顯。界面另外一側(cè)，母材鈦的硬度數(shù)值在330HV左 右，同樣受Cu元素?cái)U(kuò)散的影響，在擴(kuò)散區(qū)域硬度數(shù)值要高出母材50HV。

　　4結(jié)束語

　　4.1 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min，焊接速度為23.5mm/min，攪拌頭傾角2°, 攪拌針插入量在0.3~0.6mm，用攪拌摩擦加工法制備銅/鈦復(fù)合板是可行的。攪拌針插入量較小時(shí)，焊核形貌為洋蔥環(huán)形貌;攪拌針插入量較大時(shí)焊核中塑 性金屬容易團(tuán)聚、堆積。

　　4.2 界面兩側(cè)Cu-Ti元素進(jìn)行了互擴(kuò)散, 并且Ti向復(fù)板銅側(cè)的擴(kuò)散量要大于Cu 向基板鈦側(cè)的擴(kuò)散量。

　　4.3 母材銅的硬度數(shù)值在85HV左右, 母材鈦的硬度數(shù)值在330HV左右，界面兩側(cè)其他區(qū)域，受元素互擴(kuò)散的影響，硬度數(shù)值都有不同程度的提升。焊核區(qū)出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象。