基于自生成鎢基高密度合金中間層的鎢-鋼擴散連接研究.pdf

1、為了降低鎢/鋼接頭的殘余應力，同時又確保接頭中各界面的結合強度，本文開發(fā)了基于自生成鎢基高密度合金中間層的鎢/0Cr13Al鋼真空擴散連接技術。通過設計中間層材料和選擇相應的連接工藝，獲得了不同特性的鎢基高密度合金中間層鎢/鋼連接接頭。系統(tǒng)地研究了接頭的組織、強度與斷裂、殘余應力水平及界面結合機理。
　　以銅/90W-10Ni混合粉末/鎳、銅/90W-5Ni-5Co混合粉末/鎳、銅/90W-8.5Fe-1.5Cr混合粉末/銅、90

2、W-9Cu-1Ni/鎳、90W-6Mn-4Ni/鎳及90W-10(Ni25)/鎳等六種復合中間層，均實現了鎢與鋼的真空擴散連接，接頭中所生成的鎢基高密度合金層組織由鎢顆粒相和粘結相組成，組織均勻致密。其中，前三種復合中間層對應的接頭中鎢基高密度合金層由固相燒結生成，而后三種復合中間層對應的接頭中鎢基高密度合金層由液相燒結生成。
　　連接過程中，90W-10Ni及90W-5Ni-5Co混合粉末在固相燒結生成鎢基高密度合金層的同時，通

3、過銅中間層實現了鎢基高密度合金層與鎢母材的瞬間液相擴散連接，并在兩者之間形成Cu-Ni及Cu-Ni-Co中間層。其中，Cu-Ni中間層與鎢母材的冶金結合機制為：首先，液態(tài)Cu-Ni熔體中的Ni原子向鎢表面偏析，然后，Ni原子與W原子發(fā)生電子交換，形成少量的金屬鍵，與此同時，少量Ni原子擴散進入鎢的淺表層；鎢原子在含少量Ni的淺表層中擴散激活能大大降低，大量的鎢原子得以克服鎢母材的束縛進入Cu-Ni熔體中。同時，Cu-Ni熔體中的Ni原子

4、濃度不斷升高，在連接溫度下等溫凝固成與鎢母材牢固冶金結合的Cu-Ni合金中間層，且沒有生成W與Ni的金屬間化合物。
　　90W-9Cu-1Ni、90W-6Mn-4Ni及90W-10(Ni25)混合粉末液相燒結生成鎢基高密度合金層的同時，實現鎢基高密度合金層與鎢母材之間的加壓釬焊連接。釬焊連接主要通過W元素從鎢母材表層溶解擴散進入粘結相中實現冶金結合。
　　結合加壓燒結粘彈性理論，建立了連接條件下接頭中鎢基高密度合金層不同部位

5、固相燒結致密化所需軸向壓力的數學模型。對于液相燒結生成鎢基高密度合金層的連接過程，由于壓力促使接頭中鎢骨架的形成，鎢基高密度合金層燒結收縮過程不能充分進行，產生組織的不均勻性與不致密性。高能球磨預處理鎢基高密度合金中間層用混合粉末，能顯著促進連接過程中鎢基高密度合金層的致密化與均勻化。
　　有限元分析計算結果表明，在距離接頭試樣邊緣約0.5mm的連接區(qū)域殘余剪切應力最大，只有鎢基高密度合金中間層的鎢/鋼接頭最大殘余剪切應力最高，為

6、336MPa；Cu-Ni/鎢基高密度合金層/鎳復合中間層對應鎢/鋼接頭的最大殘余剪切應力最低，為82.6MPa。試樣連接區(qū)域邊緣是接頭殘余軸向應力最大的地方，在鎢母材中均是拉應力，只有鎢基高密度合金中間層的鎢/鋼接頭對應最大值，為664.9MPa，最小值為Cu-Ni/鎢基高密度合金層/鎳復合中間層鎢/鋼接頭對應的172MPa。
　　不同鎢基高密度合金中間層對應的鎢/鋼接頭剪切強度在很大范圍內變化，其中銅/90W-8.5Fe-1.5

7、Cr/銅對應的鎢/鋼接頭剪切強度只有41MPa，而剪切強度最高的銅/90W-5Ni-5Co/鎳中間層所對應的鎢/鋼接頭達到286MPa。鎢/鋼接頭的斷裂位置復雜，其中，斷裂發(fā)生在鎢/鎢基高密度合金層連接界面對應的接頭強度低；而斷裂發(fā)生在鎢基高密度合金層/鎳中間層連接界面區(qū)對應的接頭強度高。由于90W-6Mn-4Ni鎢基高密度合金層中存在的孔隙釋放了部分接頭殘余應力，使得其對應鎢/鋼接頭的剪切強度反而高于界面結合質量更好的90W-10(N

8、i25)鎢基高密合金層所對應的接頭剪切強度，且其對應的鎢母材斷口為典型的貝殼花紋解離斷裂形貌，而90W-10(Ni25)鎢基高密度合金層對應的鎢母材斷口為典型的沿晶斷裂形貌。
　　由銅/90W-10Ni混合粉末/鎳復合中間層和銅/90W-5Ni-5Co混合粉末/鎳復合中間層對應的鎢/鋼接頭抗熱震性能最好。一般地，剪切強度高的試樣對應的抗熱震性能好，但在剪切強度大致相同的情況下，以鎢基高密度合金層為中間層的鎢/鋼接頭比單軟質中間層的