基于自生成鎢基高密度合金中間層的鎢-鋼擴(kuò)散連接研究.pdf

1、為了降低鎢/鋼接頭的殘余應(yīng)力，同時(shí)又確保接頭中各界面的結(jié)合強(qiáng)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(kuò)散連接技術(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)中間層材料和選擇相應(yīng)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(qiáng)度與斷裂、殘余應(yīng)力水平及界面結(jié)合機(jī)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(fù)合中間層，均實(shí)現(xiàn)了鎢與鋼的真空擴(kuò)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(jié)相組成，組織均勻致密。其中，前三種復(fù)合中間層對(duì)應(yīng)的接頭中鎢基高密度合金層由固相燒結(jié)生成，而后三種復(fù)合中間層對(duì)應(yīng)的接頭中鎢基高密度合金層由液相燒結(jié)生成。
　　連接過(guò)程中，90W-10Ni及90W-5Ni-5Co混合粉末在固相燒結(jié)生成鎢基高密度合金層的同時(shí)，通

3、過(guò)銅中間層實(shí)現(xiàn)了鎢基高密度合金層與鎢母材的瞬間液相擴(kuò)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(jié)合機(jī)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(shí)，少量Ni原子擴(kuò)散進(jìn)入鎢的淺表層；鎢原子在含少量Ni的淺表層中擴(kuò)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(jìn)入Cu-Ni熔體中。同時(shí)，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(jié)合的Cu-Ni合金中間層，且沒(méi)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(jié)生成鎢基高密度合金層的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)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(guò)W元素從鎢母材表層溶解擴(kuò)散進(jìn)入粘結(jié)相中實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。
　　結(jié)合加壓燒結(jié)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(jié)致密化所需軸向壓力的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于液相燒結(jié)生成鎢基高密度合金層的連接過(guò)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(jié)收縮過(guò)程不能充分進(jìn)行，產(chǎn)生組織的不均勻性與不致密性。高能球磨預(yù)處理鎢基高密度合金中間層用混合粉末，能顯著促進(jìn)連接過(guò)程中鎢基高密度合金層的致密化與均勻化。
　　有限元分析計(jì)算結(jié)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(yīng)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(yīng)力最高，為

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

7、Cr/銅對(duì)應(yīng)的鎢/鋼接頭剪切強(qiáng)度只有41MPa，而剪切強(qiáng)度最高的銅/90W-5Ni-5Co/鎳中間層所對(duì)應(yīng)的鎢/鋼接頭達(dá)到286MPa。鎢/鋼接頭的斷裂位置復(fù)雜，其中，斷裂發(fā)生在鎢/鎢基高密度合金層連接界面對(duì)應(yīng)的接頭強(qiáng)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(duì)應(yīng)的接頭強(qiáng)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(yīng)力，使得其對(duì)應(yīng)鎢/鋼接頭的剪切強(qiáng)度反而高于界面結(jié)合質(zhì)量更好的90W-10(N

8、i25)鎢基高密合金層所對(duì)應(yīng)的接頭剪切強(qiáng)度，且其對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(fù)合中間層和銅/90W-5Ni-5Co混合粉末/鎳復(fù)合中間層對(duì)應(yīng)的鎢/鋼接頭抗熱震性能最好。一般地，剪切強(qiáng)度高的試樣對(duì)應(yīng)的抗熱震性能好，但在剪切強(qiáng)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(zhì)中間層的