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搅拌摩擦加工法制备铜/钛复合板探索

编辑:天津市金桥焊材集团有限公司  时间:2012/05/18  字号:
摘要:搅拌摩擦加工法制备铜/钛复合板探索
    1    前    言
    复合板由于具两种或两种以上材料的性能,引起了许多学者[1-2]的重视,做了很多的研究工作,并取得了一定的工程实际效应。于昕等人[3]对钢/铜/钛扩散界面进行了分析,结果表明界面出现了3种不同的金属间化合物,TiCu,TiCu2,βTiCu4,并且扩散时间对界面强度的影响存在一个临界区间, 扩散时间超过临界区间时,剪切强度开始下降。赵应富等人[4]研究了铜钛复合板界面强度的影响因素,发现加热温度起到主要的支配作用,加热温度超过700℃将影响复合板的质量。
    搅拌摩擦加工(Friction stir processing 缩写为FSP)是由美国密苏里大学的R S MISHIRA[5]于2000年基于搅拌摩擦焊工艺提出的材料改性与制备新技术。FSP主要用于制备表面复合材料,如铝基、镁基表面复合材料[6],并取得了一定的成效,但对于异种材料的复合研究较少。本文采用搅拌摩擦加工法,在铜板上进行搅拌摩擦加工,探索用该方法制备铜/钛复合材料的可行性。
    2  实验材料与方法
    试验材料为4mm厚的T2紫铜板及2mm厚的TC4钛合金板,其化学成分见附表。
    <!--[endif]-->   用自制的焊接夹具在X53K型立式铣床改装成的搅拌摩擦焊设备上进行试验。搅拌头旋转速度为750r/min, 焊接速度为23.5mm/min,搅拌头倾角2°,搅拌头轴肩直径为26mm,搅拌针直径为10mm,长度为3.4mm。
    垂直于焊缝方向截取试样,进行界面形貌观察。采用不同腐蚀剂分别侵蚀接头不同的部位。其中,铜侧用三氯化铁-盐酸-酒精溶液腐蚀,钛侧用氢氟酸-硝酸-蒸馏水(13:26:100),腐蚀后用清水清洗,并用酒精吹干。采用401MVD数显显微硬度计,对试样进行硬度测试分析。利用Quanta 200型扫描电子显微镜观察焊接接头元素分布情况。
    <!--[if !supportLists]-->3     <!--[endif]-->实验结果与分析
    4  图1为不同搅拌针插入量下铜/钛复合板的横截面宏观形貌图,图1(a)和(b)焊核形貌为洋葱环状,界面较平整;图1(c)和(d)焊核形貌出现收缩,团聚现象,界面呈波浪状。图2为图1中各个区域微观的放大图,图2(a)界面处,两者并没有结合,界面处开裂;图2(b)、(c)、(d)界面处两者连接良好,表现为波浪形态。
    <!--[endif]-->   搅拌针插入量较小时,搅拌针只是在复板(铜板)上行走,并没有接触到基板(钛板),因此接头保留了铜搅拌摩擦焊时,常见的焊核形貌特征——洋葱环[7]。异种金属的连接,界面往往作为一个复杂、重要的过渡区域。铜/钛板接触表面凹凸不平,在搅拌工具轴向压力作用下,凹凸不平的表面,首先咬合贴紧。正是由于搅拌针没有接触到基板,基板仅仅受搅拌工具的轴向压力和复板传导的热的影响,但两者的作用不足以让复合板产生机械连接,在冷却收缩后复板和基板容易脱离。搅拌针插入量增加时,搅拌针离底板越来越近,基板受复板热传导的影响增强,基板氧化膜与基体的膨胀系数不同,并在基板中出现热应力,导致氧化膜脱落、剥离基体, 而进入界面另一侧。塑性较差的氧化膜和塑性较强的铜混合后,势必会阻碍焊核处金属的流动,因此焊核形貌出现了收缩、团聚。
    从垂直铜/钛复合板界面线扫描的结果可以看出,界面两侧Cu、Ti元素进行了互扩散,界面铜侧Ti元素的扩散量要大于界面钛侧Cu元素的扩散量,如图3所示。由Arrhenius公式[8]可知,一定条件下元素的扩散行为主要与温度和扩散激活能有关,仅考虑温度对扩散的影响,不难解释界面两侧的元素扩散行为不一样的现象。复板的温度高于基板的温度,并且复板搅拌区的金属处于塑化状态,这样有利于Ti 元素向复板扩散,基板的金属处于刚性状态,不利于Cu元素向基板扩散,这也是图中两种元素扩散量不同的原因之一。
    对接头进行硬度测试,结果说明了铜侧的硬度数值已经和铜的搅拌摩擦焊[9]的硬度分布曲线存在差别,这也与元素的扩散行为有关,如图4所示。复板中的温度较高,对复板起到了退火的作用,使铜母材的硬度数值在85 HV左右。除了铜母材外,其他区域的硬度数值都在100HV以上,焊核区域出现了软化的现象,但数值依然高于100HV。焊核区的晶粒虽然很细小, 但是由于位错密度的下降和第二强化相的溶解,使得焊核区相比其他区域的硬度数值要小。最高的硬度数值出现在焊核和热力影响区的交界处。铜侧由于受Ti元素扩散的影响,钛和铜生成某种金属间化合物,使得硬度数值整体上升,并且铜侧离界面越近,这种现象就越明显。界面另外一侧,母材钛的硬度数值在330HV左右,同样受Cu元素扩散的影响,在扩散区域硬度数值要高出母材50HV。
    4    结束语
    4.1   搅拌头旋转速度为750r/min,焊接速度为23.5mm/min,搅拌头倾角2°, 搅拌针插入量在0.3~0.6mm,用搅拌摩擦加工法制备铜/钛复合板是可行的。搅拌针插入量较小时,焊核形貌为洋葱环形貌;搅拌针插入量较大时焊核中塑性金属容易团聚、堆积。
    4.2   界面两侧Cu-Ti元素进行了互扩散, 并且Ti向复板铜侧的扩散量要大于Cu 向基板钛侧的扩散量。
    4.3   母材铜的硬度数值在85HV左右, 母材钛的硬度数值在330HV左右,界面两侧其他区域,受元素互扩散的影响,硬度数值都有不同程度的提升。焊核区出现了软化现象。
    致谢:本论文获得了航空科学基金(2009Ze56011)项目,江西省教育厅基金(GJJ10182)项目的资助。
    参考文献
    [1] 李正华。 复合板的发展方向[J]. 稀有金属材料与工程, 1989(4): 56~59.
    [2] 李正华。 生产复合板的主要方法及其基本特点[J]. 稀有金属材料与工程, 1990(1): 71~74.
    [3] 于昕,刘德义,陈汝淑等。 钢/铜/钛扩散复合界面显微组织和力学性能[J]. 大连交通大学学报, 2009, 30(6): 30~34.
    [4] 赵应富, 李维庚。 加热对铜/钛复合板界面强度的影响[J]. 中国有色金属学报, 1997, 7(2): 118~121.
    [5] MISHRA R S, MAHONEY M W, MCFADDEN S X, et al. High stain Rate Superplasticity in a Friction Stir Pro-cessed 7075 Al alloy[J]. Scripta Materialia, 1999, 42(2): 163~168.
    6] MA Z Y. Friction stir processing Technology a Review [J]. Metall. Mater. Trans. A, 2008, 39(3): 642~658.
    [7] Xie G M, Ma Z Y, Geng L. Development of a fine-grained microsfructure and the properties of a nugget zone in fric-tion stir welded pure copper[J].Scripta Materialia, 2007, 57(2): 73~76.
    [8] 刘智恩。 材料科学基础(第三版)[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2007.
    [9] Won-bae lee, Seung-Boo Jung. The joint properties of cooper by friction stir welding[J]. Materials Letters,  2004, 58(6): 1041~1046.
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