SPS温度对铜∕镍粉∕304不锈钢接头组织与剪切强度的影响

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1、：乡论坛嘲uMSPS温度对铜／镍粉怊04不锈钢接头组织与剪切强度的影响米汤迁，武世文，赵炜康，夏莉红．张福勤(中南大学轻质高强结构材料重点实验室，长沙410083)【摘要】采用脉冲放电等离子烧结(sPs)制备了添加镍粉中间层的铜1304不锈钢接头，研究了焊接温度对接头组织及力学性能的影响。结果表明，以镍粉为中间层，可以实现铜与304不锈钢的扩散焊接。铜／镍界面处铜、镍互扩散形成铜／镍界面扩散层，镍／304不锈钢界面处镍、铁互扩散形成镍／铁界面扩散层，铜／镍扩散层厚度大于镍／铁扩散层厚度。在焊接压力为10MPa、焊接温度为900℃时，铜／304不锈钢接头剪切强度最佳，为98SPa。铜／304

2、不锈钢接头断口形貌呈韧窝状，断裂均在镍中间层处，接头连接强度受制于镍中间层本身的强度。关键词：放电等离子烧结(SPS)；铜；304不锈钢；扩散焊；界面组织；剪切强度DoI：10．16080巧．issnl671-833x．2017．12．038汤迁中南大学粉末冶金研究院材料科学与工程学硕士。主要研究方向为铜和304不锈钢异种金属连接。-基金项目：碳基复合XX材料应用技术研究项目(41422040407)。38航空制造技术·2017年第12期铜／不锈钢接头不仅具备铜的高导电导热性能以及不锈钢的高强度和耐腐蚀性能，还大大减少了铜的使用量，在航空航天、电子行业、核工业、汽车行业、军工行业等领域都有

3、广泛的应用⋯。但是铜和不锈钢的熔点和导热系数差异过大，用传统的熔焊工艺在焊后容易产生热裂纹，给铜和不锈钢的连接带来极大的困难【2】。扩散焊是一种在低于母材熔点以下实现异种材料焊接的固相焊接工艺，由于可焊接物理性质相差极大的异种材料，被广泛用于铜和不锈钢的焊接。Yilmaz等p】用氩气保护气氛炉焊接纯铜和304不锈钢，发现界面处生成的中间相对接头强度没有影响，但界面上孔洞缺陷的产生会降低接头的剪切强度。Yuan等H1利用改进的脉冲加压扩散焊实现铜和钢的焊接，发现添加镍中间层可以有效减少界面缺陷数量，提高接头的力学性能。但焊后的热处理工艺不仅让晶粒粗化，也让工艺变得繁琐。Singh等【5】焊接

4、CuCrZr合金和316L不锈钢，在焊接温度为900c

5、C下，获得最高的接头强度128．16MPa。当焊接温度升高至1000℃时，接头的强度反而下降至86．66MPa。放电等离子烧结工艺(SparkPlasmaSintering，SPS)是近年出现的可以实现粉末材料快速烧结的新型工艺[6-7]o与传统烧结方法相比，放电等离子烧结具有烧结时间短、升温速率快、工艺可靠、低功耗、性能高等优点[8-9]o基于上述优点，有些研究者利用SPS实现了诸如钛一钢m1、钛一镁⋯】、钨一铁m1等体系之间的焊接，不仅将焊接时间缩短了50％～80％以上，还制备出了性能优越的焊接接头。镍与铜、镍与不锈钢之间不会产生

6、脆性中间相，具有较好的相互固溶度，常被用作铜和不锈钢连接的中间层材料【l31。在异种材料连接中，用粉末作为焊接中间层时，成分可控、适用面广。目前没有用镍粉作为中间层，通过SPS工艺制备铜／304不锈钢接头的文献报道。因此，本研究以镍粉为中间层，利用SPS工艺，为铜和不锈钢的焊接提供一种新方法，探讨用镍粉作为中间层时，焊接温度对铜／304不锈钢(Cu／SS304)接头组织和剪切强度的影响。试验材料与方法1试验原材料与处理试验所用母材为T1紫铜棒和304不锈钢，化学元素组成如表1所示。将原材料加工成40miD_×3mm的尺寸，焊接前依次使用600#、1000#、1500#、2000#的SiC砂

7、纸打磨焊接表面，随后抛光，以保证平整度并且去除氧化膜，然后在丙酮溶液中超声清洗20min，干燥待焊。试验选取镍粉(粒度为40岬，纯度99．9％)为焊接中间层，在不锈钢上均匀涂抹一层厚度约为90Ixm的镍粉。2焊接工艺及参数将样品按照图1的顺序进行装配，随后放置放电等离子烧结炉中进行真空扩散焊接。设备型号为HPD25／3，由德国Rauenstein公司生产，系统为FCT系统。焊接的工艺参数如下：焊接温度为800～900oC，保温时间15min，焊接压力为10MPa，真空度为10。Pa，升温速率为100oC／min，降温速率为20℃／rain。3焊接接头检测方法将金相试样经热镶和砂纸打磨后抛光

8、处理，放置在酒精溶液中，采用超声波清洗10min的方式去除样品上残留的抛光粉。用附带有OXFORD型能谱仪(EDAX)的材料SS304NavaNanoSEM230的场发射扫描电镜观察接头的微观组织，并对接头区域的元素分布进行测试表征。用线切割将焊接后的试样加工成图2所示的接头尺寸，采用万能试验机(Instron3369)检测样品的剪切强度，加载速率为2mm／min。结果与讨论1焊接接头组织与元素分布图3所示为不同焊接工艺