表面纳米化0Cr18Ni9Ti/TA17加镍中间层扩散连接

黄利，盛光敏，罗军，薛昊飞

(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆，400030)

摘要：采用高能喷丸(HESP)对TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti不锈钢棒材端面表面进行自纳米化(SSNC)处理；采用镍箔作为中间层，在不同温度(800~875 ℃)下对处理后的钛合金/不锈钢进行脉冲加压扩散连接(PPDB)。对接头剖面组织进行金相观察；在拉伸试验机上测试接头拉伸强度，对断面进行SEM，EDS和XRD结构物相分析。研究结果表明：在850 ℃时接头拉伸强度达到最高，为322.8 MPa；连接后接头界面处纳米晶粒没有完全长大，存在细晶粒区；镍箔有效地阻止了Fe-Ti脆性金属间化合物的形成，在接头处形成β-Ti, (Fe,Ni)固溶体和Ti-Ni金属间化合物(Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃)；断裂发生在Ni层与Ti-Ni金属间化合物界面处。

关键词：脉冲加压扩散连接；中间层；纳米化；钛合金/不锈钢

中图分类号：TG453.9            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)03-0864-06

Diffusion bonding of surface nanocrystallized 0Cr18Ni9Ti/TA17 using a nickel interlayer

HUANG Li, SHENG Guang-min, LUO Jun, XUE Hao-fei

(School of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

Abstract: A TA17 titanium alloy and 0Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel, surface self-nanocrystallized (SSNC) by high-energy shot peening (HESP) were joined through pulse-pressure diffusion bonding (PPDB) using a pure nickel foil at 800-875 ℃. Additionally, the longitudinal section microstructures of joints were studied by using optical microscope. The joint strength was tested with a tensile machine. Tensile fracture was analyzed by scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscope (EDS), X-ray diffraction (XRD). The results show that the highest recorded tensile strength is equal to 322.8 MPa and is displayed at 850 ℃. The nanometer-grains across the joint did not grow up completely. Diffusion and migration between Ti and Fe atom is effectively prevented by adding pure Ni as the interlayer metal, and thus a sound joint is obtained. The interface reaction products are identified as β-Ti, (Fe,Ni) solid solution and Ni-Ti intermetallic compounds (Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃). The specimens fracture along the reaction layer of Ti-Ni intermetallics and Ni layer.

Key words: pulse pressure diffusion bonding; interlayer; nanocrystallized; titanium alloy/stainless steel

在航空航天、医疗器械、石油化工和核工业等领域，钛合金/不锈钢复合材料作为钛合金的代替品来使用，能够充分发挥其性能和经济上的优势互补，具有广阔的应用前景^[1-2]。由于钛合金与不锈钢进行连接时容易产生硬而脆的Fe-Ti金属间化合物^[3]，而且物理化学性能差异(线膨胀系数、热导率等)会导致在接头处产生较大的残余内应力，从而产生微观裂纹^[4-5]，严重影响接头性能^[6]。采用适当的中间层来解决异种材料连接问题在国内外已有大量的研究。何鹏等^[7-8]采用钒和铜作为TiAl/40Cr的中间层进行扩散焊接，接头强度为200 MPa；Kundu等^[9]采用铜作为Ti/304的中间层进行扩散焊接，接头强度达到318 MPa，但耐腐蚀性能不能满足要求。镍的耐蚀性好，是非碳化物形成元素^[10-11]，且塑性好，可以缓解接头处的内应力^[12]；根据Fe-Ni、Ti-Ni二元相图，Fe和Ni可以无限互溶，Ti和Ni可形成一定的金属间化合物^[4]；而Ti-Ni金属间化合物具有一定的塑性^[13]。纳米晶体材料的晶界体积分数高，能为原子提供大量扩散通道^[14]，提高原子的扩散速度^[15]，并且纳米晶组织中存在的位错、空位、亚晶界等非平衡缺陷及过剩能量，有利于原子的化学反应^[16-17]。经研究发现：在快速加压条件下，原子在固相中扩散速度可大大提高，甚至可能超过液相扩散速度，因而，原来在一定扩散温度下需要几小时才能形成的扩散接头，现可瞬时完成^[18]。本研究在Han   等^{[2, 17, 19]}研究基础上，采用高能喷丸对TA17钛合金和0Cr18Ni9Ti不锈钢进行表面自纳米化处理，使表面层得到一定厚度的纳米晶粒^[19]，并对镍箔中间层进行脉冲加压扩散连接试验，对接头性能进行了测试，并对接头结构及拉伸断口进行一系列的微观分析。利用表面纳米化、加中间层脉冲加压扩散连接方法以阻止连接接头Fe-Ti脆性金属间化合物的形成，提高连接接头质量，这对钛合金与不锈钢异种材质的连接具有指导意义。

1  试验材料及方法

1.1  试验材料

试验所用材料为TA17近α型钛合金和0Cr18Ni9Ti不锈钢的棒材，直径为12 mm。其中钛合金的热处理状态为热轧后750 ℃再结晶退火1 h，不锈钢为热轧态，材料的化学成分见表1。中间层材料采用纯镍箔，厚度为12.5 μm。

1.2  试验方法

将TA17钛合金(Ti)和0Cr18Ni9Ti不锈钢(SS)棒材的连接端面用水砂纸进行打磨并抛光，然后，采用高能喷丸(HESP)对棒材的端面进行表面自纳米化处理。高能喷丸所用的设备为6050型喷丸机，喷丸参数如下：钢丸直径为1.0 mm，工作距离为50 mm，工作压力为0.6 MPa，喷丸时间为5 min。经喷丸后，喷丸面变粗糙，需将喷丸面再次打磨并抛光，保证试样喷丸端面无微孔且2个试样能紧密接触，以满足扩散连接的界面条件。

扩散实验在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行。焊前采用酸洗的方法(不锈钢：6% HCl, 2% HF和92%水，体积分数，室温，时间为10 s；钛合金：80% HNO₃，20% HF，100 ℃，时间为30 s)去除表面氧化膜，并用丙酮清洗表面，清除表面油脂。

钛合金/不锈钢试样装配如图1所示，将中间层与2种材料的喷丸端面对接，采用Ni-Cr、Ni-Al热电偶进行测温，热电偶焊于不锈钢侧距界面1 mm处。为了避免试样与夹具在高温下发生粘结，在二者之间加入钽片。连接时的真空度为0.1 Pa。

图1  试样装配图

Fig.1  Assembly of samples

根据文献[18]选择钛合金与不锈钢脉冲加压连接参数，脉冲加压连接工艺如图2所示。为探讨连接温度对接头性能的影响，连接温度选择4种温度(分别为800，825，850和875 ℃)，升温和降温速率都为5 ℃/s，脉冲压力为8~50 MPa，脉冲频率为0.5 Hz，脉冲次数为40(时间为80 s)，脉冲加压后保温时间为120 s。连接后的试样在400 ℃下退火1 h，以消除连接残余内  应力。

将拉伸试样加工成直径为10 mm，在新三思CMT5105型材料拉伸试验机进行拉伸，加载速率为0.5 mm/min，并用OLYMPUS-GX41型金相显微镜对接头剖面的组织进行观察，用Vega Tescan型电子扫描显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对拉伸断口和接头剖面的组织进行观察和分析，并用D/MAX-1400型X线衍射仪对拉伸断口试样进行X线衍射试验，以便对试样上的组织和物相进行分析。

表1  试验材料的化学成分(质量分数)

                               Table 1  Chemical composition of tested materials    %

图2  脉冲加压连接工艺曲线

Fig.2  Curve of PPDB bonding technique

2  结果及分析

2.1  接头抗拉强度

表2所示为连接接头的抗拉强度和压缩率，从表2中可以看到：当温度低于850 ℃时，抗拉强度随着温度升高而提高，这是由于随着连接温度升高，材料塑性变形增强，接头有效接触面积增大^[6]，并且原子间的扩散增强，有利于接头强度的提高；而当温度高于850 ℃时，抗拉强度随着温度升高反而降低。这是由于温度升高接头处形成的Ti-Ni金属间化合物厚度增加，接头组织粗大，材料变形导致较大的内应力严重影响了接头的性能^[2]。

表2  连接接头的抗拉强度和压缩率

Table 2  Tensile strength and compressibility of bonded joints

2.2  接头剖面金相观察

图3所示为不同温度下接头剖面的金相组织，根据不同的组织特征可以将接头分为A，B，C，D，E，F和G 7个区域，其中：A区为不锈钢基体区，晶粒比较粗大；B区为细晶粒区，该区域为不锈钢表面自纳米化后的纳米组织区域，由图3可以看出：扩散连接后仍然不能区分晶粒形貌与大小，说明晶粒还没有明显长大；C区为Fe-Ni固溶体区和镍箔层，由于镍耐腐蚀，该区呈白亮区；D区为Ti-Ni金属间化合物和Ti-Ni固溶体层；E区为β-Ti层，随着温度升高厚度增加；F区为钛合金侧的细晶粒区；G区为钛合金基体区。由金相组织可以推断可能纯镍层仍然存在，说明镍箔阻止了Ti/Fe之间的互扩散，阻止了Ti-Fe脆性金属间化合物的形成。扩散连接后纳米晶粒层转变为细晶粒层，并且随着温度升高，接头两侧的细晶粒层厚度逐渐减少。

图3  不同温度下扩散焊接头剖面金相组织

Fig.3  Longitudinal section microstructures of joints at different temperatures

2.3  接头SEM组织观察

为了确定连接接头处元素组成及分布，对接头性能最好的温度即850 ℃进行了接头微观分析。图4所示为850 ℃时脉冲加压连接接头纵剖面的SEM形貌及相对应的能谱分布图。在SEM图(图4(a))中，根据不同的组织特征可以分为A，B，C，D和E 5个区域，其中A区为钛合金基体区；B区为Ni在β-Ti区，Ni元素是β-Ti稳定元素，降低α相向β相转变温度^[20]，在高温时该区有大量的β相生成，冷却时来不及转变而保留到室温；C区为Ti-Ni金属间化合物和Ti-Ni固溶体区；D区为纯镍层；E区为Fe-Ni固溶体和不锈钢基体区。

经过相对应的接头界面两侧一定范围内的线能谱分析可以看到Fe，Ti和Ni元素的分布(图4(b))。结果表明：镍箔中间层与两侧母材均产生了一定程度的相互扩散，形成了成分逐渐变化的扩散层。从镍元素的分布曲线可见：Ni层尚余6 μm没有扩散。Ni原子与Fe原子相互扩散距离都比较小，大约为5 μm，而Ni原子在Ti原子中扩散(约30 μm)比Ti原子在Ni原子中扩散(约8 μm)大得多。这是由于Ti、Ni和Fe原子半径分别为1.73 ?、1.24 ?、1.27 ?，根据扩散理论^[21]，在一般情况下，原子半径小的元素易向原子半径大的元素中扩散，因此，Ni原子容易向Ti原子扩散，而Ni原子与Fe原子半径相近，需要在高温下长时间才能加速扩散。

图4  850 ℃下扩散焊接头剖面的SEM和EDS

Fig.4  SEM and EDS on longitudinal section of joint

2.4  接头断口分析

在拉伸试验中，试样断裂于不锈钢与钛合金连接界面，断口平整，没有颈缩痕迹，宏观表现为脆性断裂。图5所示为850 ℃下连接接头拉伸断口的微观形貌。从图5可以看出：不锈钢侧和钛合金侧的微观形貌上没有很大差别，被撕裂的试样存在塑性变形痕迹，说明接头具有一定的塑性。对图5中“十”位置进行能谱点分析，不锈钢侧A点主要成分(原子数分数)为Ti 57.49%，Ni 42.51%；钛合金侧B点的主要成分(原子数分数)为Ti 69.52%，Ni 30.48%。断口中没有Fe元素的出现，Ni层阻止了Fe/Ti的互扩散，并且断裂发生在Ti/Ni层某个位置。

图5  850 ℃下扩散焊接头拉伸断口的SEM

Fig.5  Tensile fracture SEM of bonded joint at 850 ℃

为了进一步查明各扩散层的具体组成、相结构和断面位置，进行了接头剖面及断面的X线衍射分析。图6(a)所示为接头剖面处的XRD分析，可以看出：在接头处有新相生成，主要有Ti-Ni金属间化合物(Ti₂Ni，TiNi₃)以及(Fe，Ni)固溶体和β-Ti组成。并且没有发现有Fe-Ti脆性金属间化合物，说明镍箔阻止了Fe/Ti的互扩散。图6(b)和图6(c)所示分别为拉伸断口不锈钢侧和钛合金侧的X线衍射分析。从图6可以看出：不锈钢侧(图6(b))的主要物相为Ti-Ni金属间化合物(TiNi，TiNi₃，Ti₂Ni)和纯镍，而钛合金侧(图6(c))主要为Ti-Ni金属间化合物(TiNi、Ti₂Ni)和纯镍。断口两侧同时出现了Ti-Ni金属间化合物和纯镍，这说明断裂的位置为纯镍层与Ti-Ni金属化合物的界面处。

图6  850 ℃下扩散连接接头剖面及拉伸断口X-ray衍射分析

Fig.6  X-ray diffraction Patters of longitudinal section of joint and tensile fracture

3  结论

(1) 扩散连接后，镍箔中间层分别与钛合金和不锈钢中形成Ni-Ti金属间化合物和(Fe，Ni)固溶体；纯镍层有效地阻止Fe-Ti金属间化合物的形成，界面两侧的细小晶粒有利于接头性能的提高。

(2) 在温度为850 ℃、脉冲压力为8~50 MPa、脉冲次数为40次、脉冲频率为0.5 Hz、脉冲前保温时间为0 s、脉冲后保温时间为120 s，连接时间为200 s的条件下，接头强度达到322.8 MPa。

(3) 连接接头断裂发生于Ti-Ni金属间化合物和Ni层界面处，微观断口形貌呈现出一定的塑性。

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(编辑 何运斌)

收稿日期：2011-03-25；修回日期：2011-07-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50675234)；重庆市应用基础研究研究资助项目(7942)

通信作者：盛光敏(1958-)，男，湖北仙桃人，博士，教授，从事金属结构材料研究；电话：15923066226；E-mail: gmsheng@cqu.edu.cn