铜/钛复合板的搅拌摩擦焊接

　　复合板由于具两种或两种以上材料的性能，引起了许多学者[1-2]的重视，做了很多的研究工作，并取得了一定的工 程实际效应。于昕等人[3]对钢/铜/钛扩散界面进行了分析，结果表明界面出现了3种不同的金属间化合物，TiCu，TiCu2，βTiCu4，并且扩散 时间对界面强度的影响存在一个临界区间, 扩散时间超过临界区间时，剪切强度开始下降。赵应富等人[4]研究了铜钛复合板界面强度的影响因素，发现加热温度起到主要的支配作用，加热温度超过 700℃将影响复合板的质量。

　　搅拌摩擦加工(Friction stir processing 缩写为FSP)是由美国密苏里大学的R S MISHIRA[5]于2000年基于搅拌摩擦焊工艺提出的材料改性与制备新技术。FSP主要用于制备表面复合材料，如铝基、镁基表面复合材料[6]，并 取得了一定的成效，但对于异种材料的复合研究较少。本文采用搅拌摩擦加工法，在铜板上进行搅拌摩擦加工，探索用该方法制备铜/钛复合材料的可行性。

　　2 实验材料与方法

　　试验材料为4mm厚的T2紫铜板及2mm厚的TC4钛合金板，其化学成分见附表。

　　用自制的焊接夹具在X53K型立式铣床改装成的搅拌摩擦焊设备上进行试验。搅拌头旋转速度为750r/min, 焊接速度为23.5mm/min，搅拌头倾角2°，搅拌头轴肩直径为26mm，搅拌针直径为10mm，长度为3.4mm。

　　垂直于焊缝方向截取试样，进行界面形貌观察。采用不同腐蚀剂分别侵蚀接头不同的部位。其中，铜侧用三氯化铁-盐酸-酒精溶液腐蚀，钛侧用氢氟酸-硝酸-蒸 馏水(13：26：100)，腐蚀后用清水清洗，并用酒精吹干。采用401MVD数显显微硬度计，对试样进行硬度测试分析。利用Quanta 200型扫描电子显微镜观察焊接接头元素分布情况。

　　3 实验结果与分析

　　图 1为不同搅拌针插入量下铜/钛复合板的横截面宏观形貌图，图1(a)和(b)焊核形貌为洋葱环状，界面较平整;图1(c)和(d)焊核形貌出现收缩，团聚 现象，界面呈波浪状。图2为图1中各个区域微观的放大图，图2(a)界面处，两者并没有结合，界面处开裂;图2(b)、(c)、(d)界面处两者连接良 好，表现为波浪形态。

　　搅拌针插入量较小时，搅拌针只是在复板(铜板)上行走，并没有接触到基板(钛板)，因此接头保留了铜搅拌摩擦焊时，常见的焊核形貌特征——洋葱环[7]。异 种金属的连接，界面往往作为一个复杂、重要的过渡区域。铜/钛板接触表面凹凸不平，在搅拌工具轴向压力作用下，凹凸不平的表面，首先咬合贴紧。正是由于搅 拌针没有接触到基板，基板仅仅受搅拌工具的轴向压力和复板传导的热的影响，但两者的作用不足以让复合板产生机械连接，在冷却收缩后复板和基板容易脱离。搅 拌针插入量增加时，搅拌针离底板越来越近，基板受复板热传导的影响增强，基板氧化膜与基体的膨胀系数不同，并在基板中出现热应力，导致氧化膜脱落、剥离基 体, 而进入界面另一侧。塑性较差的氧化膜和塑性较强的铜混合后，势必会阻碍焊核处金属的流动，因此焊核形貌出现了收缩、团聚。

　　从垂直铜/钛复合板界面线扫描的结果可以看出，界面两侧Cu、Ti元素进行了互扩散，界面铜侧Ti元素的扩散量要大于界面钛侧Cu元素的扩散量，如图3所 示。由Arrhenius公式[8]可知，一定条件下元素的扩散行为主要与温度和扩散激活能有关，仅考虑温度对扩散的影响，不难解释界面两侧的元素扩散行 为不一样的现象。复板的温度高于基板的温度，并且复板搅拌区的金属处于塑化状态，这样有利于Ti 元素向复板扩散，基板的金属处于刚性状态，不利于Cu元素向基板扩散，这也是图中两种元素扩散量不同的原因之一。

　　对接头进行硬度测试，结果说明了铜侧的硬度数值已经和铜的搅拌摩擦焊[9]的硬度分布曲线存在差别，这也与元素的扩散行为有关，如图4所示。复板中的温度较 高，对复板起到了退火的作用，使铜母材的硬度数值在85 HV左右。除了铜母材外，其他区域的硬度数值都在100HV以上，焊核区域出现了软化的现象，但数值依然高于100HV。焊核区的晶粒虽然很细小, 但是由于位错密度的下降和第二强化相的溶解，使得焊核区相比其他区域的硬度数值要小。最高的硬度数值出现在焊核和热力影响区的交界处。铜侧由于受Ti元素 扩散的影响，钛和铜生成某种金属间化合物，使得硬度数值整体上升，并且铜侧离界面越近，这种现象就越明显。界面另外一侧，母材钛的硬度数值在330HV左 右，同样受Cu元素扩散的影响，在扩散区域硬度数值要高出母材50HV。

　　4结束语

　　4.1 搅拌头旋转速度为750r/min，焊接速度为23.5mm/min，搅拌头倾角2°, 搅拌针插入量在0.3~0.6mm，用搅拌摩擦加工法制备铜/钛复合板是可行的。搅拌针插入量较小时，焊核形貌为洋葱环形貌;搅拌针插入量较大时焊核中塑 性金属容易团聚、堆积。

　　4.2 界面两侧Cu-Ti元素进行了互扩散, 并且Ti向复板铜侧的扩散量要大于Cu 向基板钛侧的扩散量。

　　4.3 母材铜的硬度数值在85HV左右, 母材钛的硬度数值在330HV左右，界面两侧其他区域，受元素互扩散的影响，硬度数值都有不同程度的提升。焊核区出现了软化现象。