|
钢材超塑性扩散连接接头的质量分析
王 敏
(西北工业大学材料科学与工程系，陕西西安710072)
摘 要:通过对45/45、W6Mo5Cr4V2/45钢的超塑性扩散连接接头的室温力学性能、接头界面组织以及界面碳扩散等进行测试分析发现，在足够的预压力和良好的连接表面状态下，同种钢材的超塑性扩散连接接头形成了牢固的冶金结合，接头界面层可以完全消失；异种钢材的超塑性扩散连接接头界面仍清晰可见，界面是由冶金结合区、机械结合区及显微空隙等组成。
关键词:超塑性扩散连接；接头质量；界面组织；碳扩散
金属的超塑性是指金属在一定温度和应变速率下表现出具有大的伸长率和小的变形抗力的性质。扩散连接是金属在高温和压力下，通过两种被连接表面发生局部塑性变形，紧密贴合在一起，然后金属间进行互扩散形成金属键，从而实现牢固连接的方法。由于材料的超塑性可以加速固态扩散连接过程，并使其获得良好的连接性，因此，超塑性扩散连接受到了广泛的重视，并成功应用于航天、航空、电子和核工业等领域。本文通过测定45/45、W6Mo5Cr4V2/45钢微细晶超塑性扩散连接接头的力学性能、显微组织及显微硬度来评价超塑性扩散连接效果，探讨微细晶超塑性扩散连接的结合方式、接头缺陷及其对接头性能的影响。
1 试验材料和方法
1.1 试验材料
试验用材料是经超细化处理的W6Mo5Cr4V2高速钢(HS)和45号钢(45)，其超塑性预处理工艺和超塑性指标见表1。超塑性连接试样尺寸为φ12mm×12mm和φ12mm×24mm。
1.2 试验方法及设备
1.2.1 超塑性扩散连接的步骤
将经细砂纸打磨且丙酮清洗过的试样对接后装入试验设备内→施加一定的预压力→加热至超塑性变形温度后保温一段时间→在超塑性应变速率下短时间压缩变形→卸载→待温度降至250℃以下时空冷。
1.2.2 试验设备
超塑性扩散连接试验和接头拉伸试验均在CSS-1100C型电子万能试验机上进行，其结构见图1。在拉伸试验前，先将经超塑性扩散连接的长度为48mm的试样加工成标距长度为24mm、直径为7mm的拉伸试样，然后按规定速度进行拉伸。
图1 连接试验设备示意图
1—水冷管；
2—耐火纤维；
3—上压头；
4—护套；
5—试样；
6—下压头；
7—电阻加热炉；
8—万向联轴节；
9—热电偶；
10—工作台
2 试验结果及分析
2.1 接头的组织与性能
原材料的室温抗拉强度为:R45=650～675MPa，RHS=758～798MPa。45/45和HS/45钢的微细晶超塑性扩散连接工艺参数及试验结果如表2所示(Ts为超塑性连接温度，€o为连接时的初始应变速率，to为扩散保温时间，t为连接时间，R0为预压应力，Rb为室温下连接接头的抗拉强度)。45/45和HS/45接头的显微组织示于图2。HS/45接头的显微硬度分布示于图3。
图2 超塑性扩散连接接头的金相组织
(a)
45/45； (b)
HS/45
图3 HS/45
接头界面处的显微硬度
从表2可以看出，在超塑性扩散连接条件下，45/45和HS/45接头的性能均可达到母材45号钢的水平。45/45超塑性扩散连接后，接头处的原始界面已完全消失，两侧金属已融为一体，形成了共同细小晶粒[图2(a)]。由图2(b)、图3可以看出，在HS/45接头的45号钢一侧，出现了明显的脱碳现象，其组织为铁素体；在接头界面附近，出现了碳原子由碳含量低的45号钢逐渐向碳含量高的HS钢扩散的趋势。形成这种扩散的主要原因是45号钢与HS钢的合金元素不同，HS钢中含有大量的W、Mo、Cr、V等强碳化物形成元素，这些元素对碳元素的亲和力大，易形成碳化物第二相如Cr23C6等，起到了固碳作用，而45号钢中合金元素含量少，固碳能力弱，而且在超塑性温度下碳原子充分激活，扩散能力增加，因此45号钢中的碳原子由于体积小很容易通过接头界面向HS钢一侧扩散。另外，扩散连接的本质主要是依靠连接界面间的微观塑性流变使其达到紧密接触的状态，再通过两侧的原子相互扩散来实现连接。而在固态扩散连接条件下产生的微细晶超塑性，能加速连接过程中的塑性流变。这种塑性流变以空位扩散和位错运动所调节的晶界滑移及晶粒转动为主，并伴随有明显的原子扩散。微细晶超塑性能加速界面间原子扩散的原因是:①超塑性流变能加速界面间原子相互扩散的接触面面积，有利于更多的原子进行扩散；②扩散速度主要用扩散系数D表征，根据Arrhenion公式:
在一定温度条件下，扩散系数主要取决于原子扩散激活能Q。由于微细晶超塑性材料本身具有微细、等轴、稳定的晶粒，易形成短而多的晶粒边界；超塑性流变又能增加位错密度，使界面比表面积进一步增大，而这些均能增加“短路扩散”通道，降低扩散激活能，提高扩散系数，加速扩散过程的进行，从而加快了固态扩散连接过程，迅速导致原始界面的消失而实现界面两侧金属的冶金结合。
从图2(b)还可以看出，在微细晶超塑性扩散连接过程中，碳原子的扩散主要沿晶界进行，这是由于晶界是扩散的短路通道，其扩散激活能低。可见，晶粒越细小、等轴程度越高，短路扩散通道(如晶界、位错等)的数量越多，其超塑性扩散连接的连接性能越好。
2.2 断口形貌
由HS/45接头断口宏观形貌(图4)可以看出，断口呈粗糙暗灰色纤维状。HS/45试样拉断后，45号钢一侧有较明显的塑变，HS钢一侧几乎没有变形，但HS钢一侧断口部分所占比例较大，这主要是碳含量增高所致。断口微观形貌是以复杂准解理为主的混合型断口[图5(a)]，在45号钢一侧有明显的解理面[主要由铁素体和少量珠光体组成，如图5(b)]，HS钢一侧为复杂准解理面[主要是因为在断裂过程中产生微孔聚缩，而且断口上还可以观测到大量的碳化物，如图5(c)、(d)]。这些均反映了超塑性扩散连接形成了冶金结合的连接接头。
图4 HS/45
接头断口宏观形貌
图5 HS/45
断口微观形貌
(a)
以复杂准解理为主的混合型断口；(b) 在45
钢一侧的解理断口；(c)、(d)
在HS 钢一侧的复杂准解理断口
2.3 连接接头缺陷
在同种或异种超塑性连接接头的断口上均可发现不同形式、不同程度的连接缺陷。同种钢材在足够的预压力和良好的连接表面状态下，可获得界面完全消失的冶金结合接头，而异种钢材之间的界面仍然清晰可见。
超塑性连接接头的主要缺陷是界面上大小不等的机械结合区，该区域尺寸不大，微观上为两侧金属相互挤压而导致的机械结合，其结合强度与形成金属键的冶金结合区相比要低得多，是一种可拆开的连接。另一种缺陷是连接界面间的显微空隙(图6箭头处)，它的形成原因是界面两侧的微观凹坑相对接触时，随其周围金属的逐渐连接，气体无法逸出，坑内气体压力逐渐增大，致使两侧金属始终无法接触。它在断口上表现为光滑曲面微坑，坑面因坑内空气聚集及温度升高而形成氧化薄膜，并且可以看到氧化膜因金属变形而破裂的痕迹。显微空隙是较难避免的缺陷，但其数量及尺寸小于机械结合区，对接头性能影响不大。此外，连接表面状态不良(如未清洗干净的污痕、夹杂物、蚀坑及局部较严重的氧化、吸附等)也是阻碍超塑性连接的一种连接缺陷。
图6 HS/45接头中的缺陷
3 结 论
(1)经超细化预处理后的HS钢与45号钢，在预压应力Ro≥80MPa、变形温度Ts=750～780℃、连接前保温时间to=10～15min及初始应变速率€o
=(1.0～3.0)×10-4s-1的条件下，只需3～5min即可实现异种钢材(HS/45)连接接头强度达到母材45号钢水平的超塑性扩散连接；在预压应力R0≥35MPa、变形温度Ts=670～770℃、连接前保温时间t0=10～15min及初始应变速率€o
=(1.0～4.0)×10-4s-1的条件下，经2～4min的短时间连接可实现同种钢材(45/45)连接接头强度大于母材的超塑性扩散连接。而且预压应力越大，连接接头质量就越好。
(2)微细晶超塑性扩散连接接头主要由冶金结合区、机械结合区和显微空隙组成。接头处的主要缺陷为机械结合和显微空隙，连接表面未清洗干净的污痕、夹杂物、蚀坑及局部较严重的氧化、吸附等也是阻碍连接的一种连接缺陷。
(3)在HS/45钢连接过程中，碳原子的扩散主要沿晶界进行，微细、等轴的晶粒可以增加“短路扩散”通道，降低扩散激活能，从而提高超塑性扩散连接接头的连接性能。
|
