Be-Cu合金熱等靜壓擴(kuò)散連接工藝和機(jī)理研究.pdf

1、在國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆中,需要用Be與Cu合金復(fù)合結(jié)構(gòu)作為面向等離子體材料,在工程上主要采用擴(kuò)散連接方法或者釬焊來(lái)實(shí)現(xiàn)Be與Cu合金的良好連接。本文選擇熱等靜壓擴(kuò)散連接工藝對(duì)Be與Cu合金進(jìn)行連接。采用掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)、X射線衍射儀(XRD)和X射線光電子能譜儀(XPS)等分析手段研究連接接頭界面組織結(jié)構(gòu)和剪切斷口斷裂機(jī)制和物相組成。通過(guò)量子化學(xué)軟件Material stuidio軟件中的Castep模塊計(jì)算可能生成

2、的金屬間化合物的生成自由能,結(jié)合“通量-能量原則”研究接頭界面反應(yīng)層的形成;對(duì)金屬間化合物的原子軌道集居數(shù)和鍵重疊集居數(shù)進(jìn)行分析。采用Castep計(jì)算在空位機(jī)制下Be、Cu、α-Ti和β-Ti的空位形成能和擴(kuò)散遷移能,對(duì)Be、Cu、α-Ti和β-Ti與單空位結(jié)構(gòu)的原子軌道集居數(shù)進(jìn)行了分析。在850℃時(shí)采用Ti作為中間層連接Be與Cu合金,得到的接頭連接界面形成了TiBe2、α-Ti固溶體(其中有一定量的析出相Ti2Cu)、Ti2Cu、T

3、i3Cu4、Ti2Cu3和TiCu4連續(xù)過(guò)渡的層狀結(jié)構(gòu)。接頭剪切強(qiáng)度較低,剪切斷口為解理-沿晶混合斷裂,斷口X射線衍射分析表明斷裂發(fā)生在金屬間化合物Ti2Cu和Ti3Cu4相的交界處。采用AlSiMg、Al、Ti箔層作為中間層,并在Be端鍍Al、CuCrZr端鍍Ti后在555℃時(shí)熱等靜壓擴(kuò)散連接Be/CuCrZr,接頭界面結(jié)合致密,生成的金屬間化合物為Ti3Cu4相。接頭剪切強(qiáng)度較低,其斷口斷裂方式主要為解理-韌窩斷裂。在620℃時(shí),C

4、uCrZr端鍍Cu層后擴(kuò)散連接的Be/CuCrZr接頭,在靠近Be端生成了Be2Cu相,在Cu端生成了Cu+BeCu相。Cu鍍層與原始Cu合金界面明顯,樣品剪切強(qiáng)度低,為準(zhǔn)解理斷裂,斷裂發(fā)生在Cu鍍層與基體的分界處。在580℃時(shí),直接連接的Be/CuCrZr接頭界面擴(kuò)散層由Be端的Be2Cu相和CuCrZr端的Cu+BeCu相組成,樣品剪切強(qiáng)度較高,斷裂方式為韌窩-沿晶混合斷裂。斷裂發(fā)生在Be2Cu與BeCu相的界面處。而在Be端鍍5μ

5、mTi、CuCrZr端鍍不同厚度Cu后連接的Be/CuCrZr樣品,Ti在Cu中的擴(kuò)散距離大于在Be中的擴(kuò)散距離,發(fā)生了不對(duì)稱擴(kuò)散。擴(kuò)散層內(nèi)有Ti3Cu4和TiCu4等金屬間化合物生成。斷裂方式均為準(zhǔn)解理斷裂。采用10μmCu和50μmCu的樣品,Be、Ti擴(kuò)散不充分,接頭于Be、Ti界面處斷裂,結(jié)合強(qiáng)度也較低。而Cu鍍層為30μm的樣品,接頭于擴(kuò)散層內(nèi)的α-Ti與Ti3Cu4的界面處斷裂,接頭結(jié)合強(qiáng)度高。計(jì)算了接頭中金屬間化合物的生成