304不锈钢扩散连接.pdf

２０１４年１２月第１２期第６Ｏ一６５页材料工ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ程ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｃｅｍｂｅｒ２０１４—Ｎｏ．１２ＰＰ．６０６５Ｔｉ／Ｎｂ／Ｃｕ作缓冲层的ＴｉＣ金属陶瓷／３０４不锈钢扩散连接ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇｏｆＴｉＣＣｅｒｍｅｔ／３０４ＳＳｗｉｔｈＴｉ／Ｎｂ／ＣｕＲｅｌｉｅｆＩｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ李佳，盛光敏（重庆大学材料科学与工程学院，重庆４０００４４）—ＬＩＪｉａ，ＳＨＥＮＧＧｕａｎｇｍｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）℃摘要：采用Ｔｉ／Ｎｂ／ｃｕ复合中间层在连接温度为９２５、保温时间２０ｍｉｎ、焊接压力８ＭＰａ的条件下对ＴｉＣ金属陶瓷和３０４不锈钢进行真空扩散连接。通过光学金相显微镜（ＯＭ）、扫描电镜（ＳＥＭ）、能谱（ＥＤｓ）及ｘ射线衍射（ＸＲＤ）分析观察接头微观组织、断口形貌、反应界面元素分布、断面的物相组成。结果表明：在ＴｉＣ金属陶瓷和３０４不锈钢之间形成一个明显的转变过渡区，界面反应产物主要为［Ｔｉ，Ｎｂ］固溶体＋Ｔｉ＋ＮｂＴｉ，Ｎｂ和剩余ｃｕ＋［Ｃｕ，Ｆｅ］固溶体＋ｃｒ。接头抗剪强度达到８４．６ＭＰａ，断裂发生在ＴｉＣ和Ｔｉ之间的位于ＴｉＣ上的扩散反应层上。Ｎｂ对接头残余应力的改善起到关键作用，界面强度高于因残余应力作用而弱化了的陶瓷基体强度。关键词：扩散连接；ＴｉＣ金属陶瓷；Ｔｉ／Ｎｂ／Ｃｕ复合中间层；组织；断裂—ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１４．１２．０１１中图分类号：ＴＧ４５７文献标识码：Ａ文章编号：１００１４３８１（２０１４）１２００６００６Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｖａｃｕｕｍｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇｏｆＴｉＣｃｅｒｍｅｔａｎｄ３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ（３０４ＳＳ）ｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ—℃ｗｉｔｈＴｉ／Ｎｂ／Ｃｕｍｕｌｔｉｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｔ９２５ｆｏｒ２０ｍｉｎｗｉｔｈａｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ８ＭＰａ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，—ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｅｌｅｍｅｎｔａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｐｈａｓｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＯＭ），ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），ｅｎｅｒｇｙ——ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＥＤＳ）ａｎｄＸｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｎｏｂｖｉｏｕｓｔｒａｎｓｉ—ｔｉｏｎｚｏｎｅｉＳｆｏｒｍｅｄｂｅｔｗｅｅｎＴｉＣｃｅｒｍｅｔａｎｄ３０４ＳＳ，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅ［Ｔｉ，Ｎｂ］ｓｏｌｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎ＋Ｔｉ＋ＮｂＴｉ４，Ｎｂ，ｒｅｍｎａｎｔＣｕ＋Ｉ－Ｃｕ，Ｆｅ２ｓｏｌｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎ＋Ｃｒ．Ｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｊｏｉｎｔｓｉｓｕｐｔｏ８４．６ＭＰａ．ＴｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｓｔｌｙｏｃｃｕｒｓｉｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｌａｙｅｒｂｅｔｗｅｅｎＴｉＣａｎｄＴｉｗｉｔｈｉｎＴｉＣｃｅｒｍｅｔ．Ｎｂｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｐｌａｙｓａｍａｊｏｒｒｏｌｅｉｎｔｈｅｒｅｌｉｅｆｏｆｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＴｉＣｃｅｒｍｅｔｗｅａｋｅｎｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇ；ＴｉＣｃｅｒｍｅｔ；Ｔｉ／Ｎｂ／Ｃｕｍｕｌｔｉｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｒａｃｔｕｒｅＴｉＣ金属陶瓷在高温下具有较高的的硬度、耐磨性、热稳定性，目前在金属加工、模具制造及石油化工领域中都得到了较为广泛的应用口］。ＴｉＣ金属陶瓷主要由ＴｉＣ基体颗粒与微量Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ａ１等组成＿３的硬质合金。但ＴｉＣ金属陶瓷可加工性和耐冲击性差，通常需将其与钢结构连接起来使用，充分发挥两者的优点。因此，陶瓷与钢的连接研究至关重要。目前，国内外对金属陶瓷与钢连接的研究主要以烧结连接Ｌ６］、钎焊连接‘和扩散连接＿＿１。ｎ］为主。其℃中，钎焊连接接头的工作温度一般低于５００［１。扩散连接却能够在比常规连接方法低得多的温度下制备耐热接头而备受关注口。。但是陶瓷和钢的线膨胀系数和弹性模量差很大，冷却的过程中接头界面附近易产生较大的残余应力［１６１８］。因此，一般都采用加入软性复合中间层的固相扩散连接方法来缓冲残余应力，同时，也可抑制对接头有害的界面产物生成。中间层材料的选择就成为陶瓷与钢扩散连接的关键。目前，如Ｃｕ／Ｎｂ／Ｃｕ，Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉ和Ｎｂ／Ｃｕ／Ｎｉ已被用于陶瓷的连接口。其中，Ｔｉ作为强活性元素，因其很好地解决了陶瓷的化学惰性而被广泛应用于陶瓷结构件的连接。Ｎｂ与Ｔｉ无限固溶，可抑制接头的脆性金属间化合物的生成。特别是Ｎｂ的线膨胀系数第１２期Ｔｉ／Ｎｂ／Ｃｕ作缓冲层的ＴｉＣ金属陶瓷／３０４不锈钢扩散连接６５［－１４］［１５］［１６］１－１７］———ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｐａｒｔｉａｌｔｒａｎｓｉｅｎｔｌｉｑｕｉｄｐｈａｓｅｂｅｎｄｉｎｇｏｆｓｉｌｉｃｏｎｎｉ－——ｔｒｉｄｅｗｉｔｈＴｉ／Ｎｉｍｕｌｔｉｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎ——ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２００４，３８０（１２）：３９４４０１．邹贵生，吴爱萍，任家烈，等．Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ复合层ＴＬＰ扩散连接ｓｂＮ陶瓷结合机理ＥＪ］．清华大学学报：自然科学版，２００１，４１——（４５）：５１５４．———ＺＯＵＧｕｉｓｈｅｎｇ，ＷＵＡｉｐｉｎｇ，ＲＥＮＪｉａｌｉｅ，ｅｔａ１．ＴＬＰｄｉｆｆｕｓｉｏｎ—ｂｏｎｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＳｉｓＮ４ｃｅｒａｍｉｃｓｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅＴｉ／Ｎｉ／Ｔｉｉｎ—ｔｅｒｌａｙｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ——ｎｏｌｏｇｙ，２００１，４１（４５）：５１５４．曲文卿，庄鸿寿，张彦华．异种材料ＴＬＰ扩散连接过程的非对称—性［Ｊ］．中国有色金属学报，２００３，１３（２）：３００３０４．——ＱＵＷｅｎｑｉｎｇ，ＺＨＵＡＮＧＨｏｎｇ－ｓｈｏｕ，ＺＨＡＮＧＹａｎ－ｈｕａ．ＤｉｓｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆＴＬＰｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇｏｆｄｉｓｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓＥＪ］．—ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，２００３，１３（２）：３００３０４．ＤＩＬＥＲＭＡＮＤ０Ｔ。ＭＡＵＲＩＺＩＯＦ，ＧＥＲＴＤＯ．Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｏｘｉｄｅｔｏｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｕｓｉｎｇｓｔｒｅｓｓｒｅｌｉｅｆｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，３３７（１—２）：２８７～２９６．毛样武，周建军，李树杰．采用Ｔｉ／Ａｇ／Ｔｉ中间层连接ＳｉＣ陶瓷的有限元应力分析［Ｊ］．北京航空航天大学学报，２００４，３０（１０）：９３０—９３３．—ＭＡＯＹａｎｇ－ｗｕ，ＺＨｏＵＪｉａｎ－ｊｕｎ，ＬＩＳｈｕ－ｊｉｅ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｏｆＳｉＣｊｏｉｎｔｗｉｔｈＴｉ／Ａｇ／Ｔｉｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｂｙ—ＦＥＭ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏ—ｎａｕｔｉｃｓ，２００４，３０（１０）：９３０９３３．—［１８］ＳＨＥＮＸＱ，ＬＩＹＪ，ＰＵＴＣＨＫＯＶＵＡ，ｅｔａ１．ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎＡ１２Ｏ３一ＴｉＣ／Ｗ１８Ｃｒ４Ｖｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｅｄｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，２００９，４５—（２）：４０７４１０．［１９］ＭＡＲＫＳＲＡ，ＳＵＧＡＲＪＤ，ＧＬＡＥＳＥＲＡＭ．ＣｅｒａｍｉｃｊｏｉｎｉｎｇＩＶ：ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｌｕｍｉｎａｊｏｉｎｅｄｖｉａＣｕ／Ｎｂ／Ｃｕｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉ—ｅｎｃｅ，２００１，３６（２３）：５６０９５６２４．［２Ｏ］ＨＵＡＮＧＷＱ，ＬＩＹＪ，ＷＡＮＧＪ，ｅｔａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ——ｆｒａｃｔｕｒｅｏｆＴｉＣＡＩ２Ｏ３／Ｗｌ８Ｃｒ４Ｖｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｅｄｊｏｉｎｔ［Ｊ］．Ｋｏ—ｒｏｖｅＭａｔｅｒｉａｌｙ－ＭｅｔａｌｌｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，４８（４）：２２７２３１．［２１３ＭＩＮＹ，ＺＯＵＺＤ，ＳＯＮＧＳＩ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｔｈｉｃｋ－ｎｅｓｓＯＤｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｏｆＳｉ３Ｎ４ａｎｄＩｎｃｏｎｅｌ６００ｊｏｉｎｔ［Ｊ］．ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，２９７３００：２４３５２４４０．［２２］戴永年．二元合金相图集［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９．——ＤＡＩＹｏｎｇｎｉａｎ．ＢｉｎａｒｙＡｌｌｏｙＰｈａｓｅＤｉａｇｒａｍｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓ，２００９．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７５２３４）————收稿日期：２０１３１００９；修订日期：２０１４０５０６通讯作者：盛光敏（１９５８一），博士，教授，博士生导师，主要从事异种材料的连接和高抗震性能建筑结构钢的研究，联系地址：重庆市沙坪坝区——沙正街１７４号重庆大学材料科学与工程学院（４０００４４），Ｅｍａｉｌ：ｇｍｓｈｅｎｇ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ