? ? 解慶，李京龍，張賦升，熊江濤

????（西北工業大學摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西西安710072）

?摘要：采用電鍍工藝，在純銅基體表面制備出約2．74μm的單質Au鍍層，在950℃，1MPa壓力下實現了銅與不銹鋼的真空擴散接合，并與銅－鋼直接連接接頭進行界面顯微結構對比。試驗結果表明：在直接連接800℃時結合界面鋼側存在明顯的元素沿晶界擴散現象，接頭抗剪強度158MPa，約為銅母材強度的86％；添加單質Au鍍層中間層時，有效改善了銅與不銹鋼連接，鋼側存在合金液相沿晶界潤濕、滲透現象，且在銅側生成寬約60μm白亮色互擴散區，EDS分析表明，其由固溶一定量Cu的Au3Cu相和Cu（Au）固溶體兩部分組成，寬度均約30μm，接頭強度與銅母材等強，優于直接連接。

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關鍵詞：真空擴散連接；單質Au鍍層中間層；晶間滲透；銅－鋼復合構件

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中圖分類號：TG453.9 文獻標志碼：B

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文章編號：1002－025X(2011)05-0013-04

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概述

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冷卻系統、動力裝置、熱核反應堆第一主墻等工業裝置中的銅－鋼復合構件充分發揮了結構與性能的優勢互補，其中利用鋼的強韌性及耐蝕性作為支承結構件，而銅及銅合金的優良導熱性或高阻尼性作為熱沉元件或減振降噪部件。上世紀90年代至今，獲取銅－鋼接頭的方法主要包括：熱等靜壓法、高能束焊、釬焊/擴散焊等，前兩者廣泛應用于大型復合板件的成形，后者適合于復雜形狀或截面銅－鋼構件的精密接合。

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大量研究是解決銅合金與不銹鋼的擴散連接問題，直接擴散連接接頭強度僅為母材強度的1/3；Nishi，Muto，Araki等人嘗試用Au基釬料對氧化鋁彌散強化銅合金和316不銹鋼進行釬焊試驗，結果表明，采用BAu－2釬料，釬焊間隙0．2mm，釬焊300s時獲得的接頭強度最優，等同于銅合金母材，但由于銅合金側發生重熔使得釬縫區出現大量氣孔，從而接頭強度一致性較差；此后，Nishi等人通過添加不同箔材中間層實現了銅合金與不銹鋼的真空擴散連接，指出850℃，9．8MPa下添加20μm厚的Au箔后接頭綜合力學性能優異，強度與銅合金母材的相近。基于上述研究成果，本文著重探討了直接擴散連接和添加單質Au鍍層中間層2種條件下獲得的純銅－不銹鋼真空擴散連接界面的結合質量，從而為精密的銅－鋼異種接頭的獲得提供了基礎理論指導。

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1·試驗材料及方法

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1．1 試驗材料

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本試驗采用搭接接頭，待焊母材工業純銅T2和不銹鋼0Cr17Ni12Mo2（AISI 316）的試塊規格均為40mm×40mm×6mm，搭接長度10mm。試驗用材料不銹鋼的化學成分見表1。

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?1．2 試驗方法

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焊前用360＃，800＃，1500＃砂紙逐次打磨待焊面以去除氧化膜，同時保證平整度，丙酮脫脂后，超聲波清洗5~10min，冷風吹干。然后，將待焊面迭合置于真空擴散爐內進行焊接，焊后隨爐冷卻。擴散連接設備采用輻射加熱式真空擴散焊機（FJK－2，西北工業大學）。

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采用變化連接溫度的直接連接和添加單質Au鍍層（銅母材待焊面電鍍厚約2．74μm的Au箔）2種不同的工藝試驗，初步探討銅－鋼異種金屬擴散連接結合界面形貌及其與接頭力學性能之間的關系。相對于連接壓力和保溫時間，連接溫度對接頭強度的影響更為顯著，它通過影響被焊材料的屈服強度和原子的擴散行為，從而影響接頭的焊合率、變形率以及接頭中成分及組織的均勻性。根據經驗公式連接溫度Tb≈（0．6~0．8）Tm（Tm為銅母材熔點，K）及銅－不銹鋼擴散焊接接頭抗剪強度與連接溫度的關系，即溫度高于850℃后，接頭的抗剪強度增幅緩慢，選擇在700，750，800，850℃下分別進行直接擴散連接，連接壓力10MPa，保溫1h。根據Fe－Cu二元相圖，Fe與Cu并不生成脆性金屬間化合物，但兩者固態下互溶度很小，直接連接時接頭中反應生成物數量甚少；另外，兩者的熱導率和膨脹系數有較大差別，見表2，直接連接時熱應力較大，從而接頭力學性能較差。與單質Cu箔、Ni箔相比，添加Au箔后，銅－鋼接頭綜合力學性能優異，同時侯金保等人指出，添加鍍膜中間層時，接頭強度提高更為顯著。為此，本文立于工業化應用的角度，采用添加單質Au鍍層中間層的方式對工業純銅與不銹鋼進行真空擴散連接試驗，擴散連接示意圖如圖1所示。

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添加Au鍍層中間層的連接溫度選為950℃，此時焊接由固相擴散焊轉為液相擴散焊，由Au－Cu相圖可知，此時界面有可能出現Au－Cu合金液相，為了避免液相溢出和母材晶粒過分長大，連接壓力和保溫時間分別取為1MPa和0．5h。試件出爐后，切取1/4制備金相試樣，采用金相顯微鏡（OlympusPMG3）和SEM（JED－2200）進行界面微觀形貌和組織分析；為了準確測試接頭強度，冷加工搭接長度至4mm制成非標準剪切試樣，采用萬能試驗機對接頭的拉剪性能進行測試。

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2·試驗結果與討論

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2．1 直接擴散連接

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圖2為較高溫度下銅－不銹鋼直接擴散連接接頭形貌。較低連接溫度下，結合界面整體平直，溫度升至800℃時，界面鋼側出現微細且均勻的被挖掘的奧氏體晶粒，平均直徑≤1μm。這是由于晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的能量，且晶界處存在較多的金屬學缺陷，如空穴、雜質原子和位錯等，晶格畸變嚴重，這些都為原子提供了短程擴散通道，故低溫時晶界擴散占主導，原子沿晶界的擴散速率比晶內快得多，同時由于先對銅進行腐蝕，從而在不銹鋼側出現Cu沿不銹鋼晶界擴散，使得奧氏體晶粒凸現的現象。850℃時，不銹鋼側有晶粒被挖掘的趨勢（圖2b）。這是由于升高溫度晶格擴散和晶界擴散同時發揮作用，當界面遷移速率等于原子的晶界擴散速率時，奧氏體晶粒被挖掘的現象逐漸消失。根據Cu－Fe二元相圖，Cu與Fe有限固溶，直接連接時擴散反應層非常薄，光鏡下幾乎看不到。值得注意的是，銅母材側晶粒明顯長大，并伴有相當數量的孿晶，這是由于銅為面心立方晶系，退火后易產生孿晶，而粗大的銅晶粒可能導致接頭強度、塑性及疲勞強度的降低此時接頭的抗剪強度為158MPa，約為銅強度的86%。

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2．2 添加單質Au鍍層擴散連接

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圖3為添加單質Au鍍層時擴散連接接頭形貌。由圖可知，950℃下銅－不銹鋼接頭中的顯性或隱性界面處均未發現氣孔、夾雜等缺陷。結合界面處銅母材側形成了寬60μm左右的白亮色互擴散區，結合線掃描（圖3b）及點掃描分析結果，該區域由兩部分組成，即固溶一定Cu的Au3Cu相（寬約30μm）和Cu（Au）固溶體（寬約30μm）。同時，由于Au在Fe中的固溶度極小，Au在Cu中的擴散距離明顯大于Au在Fe中的。另外，在顯性界面處，不銹鋼側存在微細的液相沿晶界進行潤濕滲透的現象，如圖4所示。點掃描分析結果表明其成分組成為：w（Cu）33.04%，w（Fe）24.32%，w（Au）33.67%，w（Cr）5.83%和w（Ni）3.14%，分析認為Au－Cu合金液相形成后，優先沿奧氏體晶界進行潤濕、滲透，同時高熔點元素Fe，Cr，Ni進入液相，從而發生等溫凝固，最終形成冶金結合。

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宏觀斷口分析表明，不銹鋼基體上粘有厚約為2mm的呈半球形的銅母材，斷裂明顯發生于純銅的本體部位，并伴有較為顯著的塑性變形，這表明接頭結合良好，強度等同于銅母材。Au鍍層可以降低銅母材表面硬度增加接觸面積，加速金屬鍵的形成和強化擴散過程，同時Au可以與Fe，Cr，Ni，Cu形成固溶體，通過固溶強化來提高接頭的強度。在不生成脆性相的條件下，接頭強度隨擴散反應層厚度的增加而增大，與直接連接相比，此時界面元素互擴散更為顯著，結合良好，接頭強度為184MPa，高于直接連接。

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3·結論

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（1）銅與不銹鋼進行低溫直接連接時，界面整體較為平直；隨著溫度的升高，800℃時原子沿晶界擴散為主，不銹鋼側晶粒凸顯。

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（2）添加單質Au鍍層進行擴散連接時，顯性界面處銅側形成白亮色Au－Cu互擴散區，寬度約為60μm，由固溶一定量Cu的Au3Cu相和Cu（Au）基固溶體組成。

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（3）添加單質Au鍍層中間層時，Au－Cu液相優先沿不銹鋼晶界潤濕、滲透，同時高熔點Fe，Cr，Ni元素擴散進入，最終等溫凝固形成冶金結合。

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（4）添加單質Au鍍層后，接頭強度較直接擴散連接接頭的強度高約30MPa。