Ti_Cu接触反应行为研究

＋ ［作者简介】蔡伟（１９６３一），男，工程师，毕业于江苏广播电视大学，现在江苏省特种设备安全监督检验研究院苏州 分院从事技术工作。
［收稿日期］２００７—０６—６ ３９
万方数据
氯碱 工 业
２００７年
图１反应铺展区域表面形貌
２．２母材溶解和反应铺展及其实质
２．３接头的微观组织
Ｔｉ、ｃｕ紧密接触的条件下加热到７００℃，它们
间长（尤其是从共晶点附近到反应温度之间），会显 著增加ｃｕ在加热过程中向基体中的扩散“损失”量 ，从而减少参与反应的总量，最终影响到反应液相的 产生量。 ２．５保温时间对液相区宽度的影响
关于液相区宽度与时间的关系，相关文献给出 了如下关系式：ｘ＝仅ｆ“卜引，ｘ为液相区的平均厚 度；ｄ为一般动力学常数；￡为保温时间；凡＝Ｏ．５ｉ
（上接第４１页） 参考文献
［１］ｗＥＬＬｓ Ｒ Ｒ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｔｍｌ ｏｆ ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ —ｂＩ．ａｚｅｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ［Ｊ］．１９矿ｅｌｄｉｎｇ ＲｅｓｅａＩ℃ｈ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ， １９７６（１）：２０．
［２］陈定华，钱乙余，黄继华．ＡＬ／ｃｕ接触反应钎焊中反应铺 展现象和氧化膜行为［Ｊ］．金属学报，１９８９（２）：４２—４７．
表编辑器、梯形图编辑器、动态数据表编辑器、配置
作系统的软件所具有的标题栏、菜单栏、主工具栏和 编辑器、符号编辑器、存储器编辑器、交叉引用浏览
状态条外，还可以看到特殊的应用浏览器（图２中 器、程序错误浏览器、对象浏览器。
左侧）、编辑器和浏览器（图２中右侧）。应用浏览 ３ 结 语
器是一个为应用程序提供树型浏览的可伸缩窗口。
接触反应钎焊不同于一般的钎焊，是国外于２０ 世纪７０年代初期开发的一种钎焊连接新工艺。它 既有一般固相扩散焊和钎焊的某些过程，又具有扩 散焊和钎焊所不具备的一些优点，是利用异种金属 接触反应形成共晶，依靠金属原子之间的相互扩散 实现材料的连接。与传统钎焊及扩散焊相比，由于 其所获得的接头力学性能可以达到基体金属水平， 而且施焊时对接头表面粗糙度和平行度要求比固相 扩散连接低得多，只需要施加少许压力或不加压，又 具普通钎焊的操作灵活性。
［３］Ｐｏｋｕ Ｉ Ｔ，Ｄｏｌｌａｒ Ｍ，Ｍａｓｓａｌｓｋｉ Ｔ Ｂ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｍｎｓｉｅｎｔ
ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｂｏｎｄｉｒｌｇ ｐｒ～．ｅｓｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａ Ａ∥ｃｕ／心 ｓａｎｄｗｉｃｈ ｊｏｉｎｔ［Ｊ］．Ｍｅｔ—ａｕｕｒｇｉｃａｌ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ａ，１９９８，
蝌
匀化。 （下转第４４页）
４１
万方数据
氯碱 工 业
２００７年
系列的步，包括相关的动作、转换和条件。 列表／梯形图的转换可逆特性使得一个程序可
以很方便地从梯形图转化为列表或从列表转化为梯
形图。 图２显示了ＴｗｉｄｏＳｏｆｔ编程软件在该系统中的
应用。
图２ Ｔ谢ｄｏｓｏｎ编程软件在该系统中的应用图不
在图２中除了可以看到标准的基于ｗｉｎｄｏｗｓ操
方，从而使整个Ｔ∥ｃｕ界面充满液相‘２１。由于元素
之间的扩散，液相区通过溶解周围的固态母材而不
断加宽，直到将全部中间层熔化。
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图２ Ｔｉ—Ｃｕ二元相图
图４ Ｔｉ侧液相区微观组织形貌金相图（２００倍》 图５为ｃｕ侧液相区组织结构形貌，可以观察到 除了液相区与母材的界面形状不同，其他区别不大。 在该区域中只看得到化合物区，而Ｃｕ（Ｔｉ）固溶体区 很不明显。在界面处，依附界面有颗粒状化合物生 成，微小颗粒形核并长大，然后脱离界面，继续向反 应区中心长大。可以看出，ｃｕ侧和Ｔｉ侧的化合物 形貌不同，说明在钛侧和铜侧生成了不同的共晶产 物相。
Ｔｉ板和Ｃｕ板各有两种表面状态：含表面膜Ｔｉ／ 纯铜；纯Ｔｉ／含表面膜Ｃｕ。
对接触反应钎焊加工好的试块打磨、抛光、腐 蚀、清洗、烘干，制成试样，在ｓＥＭ扫描电子显微镜 和光学显微镜下观察和分析试样。
２试验结果和分析
２．１共晶金属在Ｔｉ表面的反应铺展 试验表明，金属Ｃｕ除和Ｔｉ形成一定体积的共
晶体外，还在Ｔｉ表面形成较大的灰亮区域。研究表 明，这种现象与液态金属在金属表面的润湿铺展有 明显的差别，金属ｃｕ在连接温度下并不熔化，液相 通过与基体扩散反应而生成，该过程中伴随着金属 间的共晶反应，因而将这种现象称为共晶金属在Ｔｉ 表面的反应铺展。用扫描电子显微镜观察Ｃｕ在Ｔｉ 表面的反应铺展区域的形貌（如图１），ｃｕ在Ｔｉ表 面的反应铺展区形貌可以分为针状区、光滑区和龟 形区，针状区是反应铺展的前沿区，该区表面形成了 大量针状物；光滑区比Ｔｉ的原表面更光滑和平整， 表明有一定量的液相瞬时存在，液相瞬时存在有利 于两结合面接触并加速扩散；靠近反应中心的是龟 形区，经电子探针分析表明，该区较其他区域富ｃｕ。
图４为Ｔｉ侧液相区组织结构形貌，可以看出，
之间就会发生固态扩散，并且在液相中的扩散速率 该区域由两部分组成，即沿母材界面的黑色区域和
是在固相中的１００一ｌ ０００倍¨Ｊ。由Ｔｉ—Ｃｕ二元相 垂直黑色区域生长的细长柱状化合物区，黑色区域
图（如图２）可知，由于Ｔｉ、ｃｕ产生共晶反应，母材溶 与母材的结合面为直线状。结合典型共晶平衡相图
［摘要］对’ＩＶｃｕ接触反应钎焊中加热温度、保温时间、表面膜的行为和接头形成的溶解机理进行了研究。
结果表明：加热温度和保温时间是影响Ｔ∥ｃｕ接触反应钎焊的重要工艺参数，特别是加热温度，在一定范围内，温
度越高扩散越快，越有利于接头组织成分的均匀化。
［中图分类号］ＴＱｌｌ４．１５
［文献标志码］Ｂ
［文章编号］１００８—１３３ｘ（２００７）１２—００３９—０４
图３典型共晶平衡相图
万方数据
图５ Ｃｕ侧液相区微观组织形貌金相图（２∞倍）
第１２期
蔡伟等：Ｔ∥ｃｕ接触反应行为研究
２．４加热温度对液相区宽度的影响 根据图２可知，Ｔｉ—Ｃｕ有２个共晶温度点，分
别为８８５℃和９５５ ｃＣ。由图６可以看到，９２０℃、６０ ｓ时，中间层未反应的Ｃｕ还剩很多，当温度升到９４０ ℃时，剩余的ｃｕ量大大减少，这说明温度对液相区 的加宽影响很大。根据图３所示的共晶平衡相图可 知，在钎焊温度ｆ，当ｃｕ的质量分数达到甜乩或Ｔｉ的 质量分数达到加乱，就会有液相形成。当温度升高 时，伽乩减小、叫。。．增大，即形成液相的成分质量浓度 区域变大，因此产生液相的区域就会随之增大。通 过对不同钎焊温度下所得的液相宽度测量可知，在 试验条件下，液相区宽度随钎焊温度的升高而变宽。
从图２可以看出，在８８５℃时，共晶点在Ｃｕ为 ２７％的点，Ｃｕ在Ｂ—Ｔｉ中的最大溶解量为１０％，液 相区与母材界面基本保持平直状，两侧液相区的宽 度差较前面的要小。并且随保温时间的增加，液相 区宽度也随着增加，适当延长保温时间可以增加反 应进行的程度，从而增加液相量及其铺展面积。但 是随着反应源的消耗，保温时间的影响会越来越小， 直至最后消失，液相铺展面积趋于稳定。因此一味 地延长保温时间，并不能促进液相铺展面积的增加， 从本试验的结果看，保温时问一般不宜超过１０ ｍｉｎ。 ２．６接触反应钎焊中表面膜的影响
钛及钛合金由于密度小、抗拉强度大、比强度高 等特性，在航空、化工、医学等领域广泛应用。钛合 金与不锈钢等的连接目前主要采用固相连接法，如 固相扩散焊、普通钎焊、接触反应钎焊、爆炸焊、摩擦 焊。
固相扩散焊由于容易形成金属间化合物，引起 接头脆性而降低接头强度，仅在一定领域得以应用。 普通钎焊存在的主要不足是接头工作温度比母材熔 化温度低很多，而且接头强度只有母材强度的１／２ 左右，高温性能难以保证，因此很难充分发挥钛及其 合金的性能优势。爆炸焊、摩擦焊等连接方法需要 特殊的焊接设备，生产效力低，连接时要求有高的外 加压力和光滑的结合面，在工业应用中受到限制。
该系统自２００６年９月正式改造完成投入生产
可伸缩窗口和工具栏可以移动且可依附在母窗口的 以来，运行效果很好。保证了酸碱废水处理系统的
边界。逻辑层次中出现的应用程序的项是以它们在 应用程序中的关系为依据的，这些项被组织成为锯
安全稳定运行，为沈阳化工股份有限公司实现清洁 文明生产和良性循环经济的可持续发展提供了保
解。在加热阶段，Ｔｉ、ｃｕ相互扩散，当温度达到或超 过共晶温度，并且Ｃｕ在Ｔ∥Ｃｕ界面的质量分数达到 训乩（如图３），就会有液相产生。这一阶段由于对 试样表面光滑度要求不高，液相只是在接触点处形 成，然后液相通过毛细作用，填充其他未接触的地
（如图３）可以断定黑色区域为Ｔｉ（ｃｕ）固溶体，而垂 直于该固溶体生长的组织为Ｔｉ、ｃｕ化合物。根据扩 散理论可知，当加热到８８５℃左右，结合处Ｔｉ、ｃｕ已 满足共晶条件，产生液相，温度继续升高，由于在液 相中的扩散率增大，Ｔｉ、ｃｕ的互扩散量也增多。
试验表明，经清洗处理去除表面膜的试样结合 较好，仅在试样中心附近有少量未结合区。而未经 清洗处理的试样，虽接触界面两侧也形成了大量共 晶体，但两板并未结合。
金属接触反应的微观过程表明，接触反应钎焊 中接头的形成实际上是多个点反应的扩散过程。当 Ｔｉ、Ｃｕ在某点发生了共晶反应，则其形成的共晶液 相在表面张力作用下将连接两母材而形成缩颈形液 柱。随反应时间的延长，共晶液相量增加，Ｃｕ在Ｔｉ 表面的共晶反应铺展不断向前推移，整个液柱也向 四周不断扩展，在表面张力作用下浮于液柱周围的 共晶反应铺展区形成的微薄液相表面的Ｔｉ表面膜 随点反应的扩展被推开，使得结合的障碍被去除。 ３结论
齿状的外形并可被扩展和关良。。应用浏览器方便地 障。此种方法经济实用，值得同行业借鉴。
在应用程序中组织这些项，因此用户无需亲自搜索
【编辑：董红果】
它们。编辑器和浏览器则是ＴｗｉｄｏＳｏｆｔ的窗口，为应
用程序的有效开发和配置提供了方便，这包括了列 ’义＾挺＾义，挺，义靛，挝，义，畿瓞献供献＾吨，踺祭献＾迫艇供詹｛矗吨＾吨触詹｛袋＾迫，义詹连＾迕矗迫＾迫矗迫＾迫＾｛＾吨＾迫＾吨＾｛＾吨＾ＲＶ｝匕警专矗｛＾ＲＶ》巴
下面研究Ｔｉ／ｃｕ接触反应钎焊中加热温度、保 温时间、表面膜的行为和接头形成的溶解机理。
１试验材料和方法
试验在高频感应真空炉中进行，真空度冷态为
５×１０。Ｐａ，热态保持为８×１０。Ｐａ。 试验中所用试样规格：Ｔｉ试样尺寸为１０ ｍｍ×
１０ ｍｍ×４ ｍｍ，紫铜试样为８ ｍｍ×８ ｍｍ×２ ｍｍｏ 试样表面处理要求：试样用５００。砂纸打磨，然后在 超声波清洗仪中丙酮清洗１０ ｍｉｎ，吹干备用。
图６液相区宽度随温度变化图 在中间金属与钛合金组成的合金系统中，几个 共晶与共析反应可在不同温度下发生，尽管在最低 共晶温度下即可形成液相，但温度越高扩散越快，越 有利于接头组织成分的均匀化，从而缩短保温时间。
加热速度将能决定是否形成共晶相，如果加热速度 太慢，加热过程中发生的固态相会阻止共晶液相的 形成，存在的空隙也不会有足够的液相补充，容易产 生空穴等缺陷。对Ｔｉ／Ｃｕ接触反应过程（液相的铺 展面积）的影响而言，升高反应温度可以加快反应 的速度，使相同保温时间内反应液相的铺展面积增 加；但是当温度过高时，由于工件加热过程经历的时
（１）分析了Ⅳｃｕ接触反应偶在不同工艺参数
条件对共晶液相的形成、铺展、组织的影响，可知Ｃｕ 作为中间层进行Ｔｉ的接触反应钎焊是可行的。
（２）通过试验，得出了钎焊工艺参数对Ｔｉ／ｃｕ 接触反应钎焊的影响规律。焊接加热温度和保温时 间是重要的工艺参数，特别是加热温度，在一定范围 内，温度越高扩散越快，越有利于接头组织成分的均
第１２期 ２００７年１２月
氯碱工 业
Ｃｈｌｏｒ—Ａｌｋａｌｉ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
．
Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．．２００７
Ｔｉ／Ｃｕ接触反应行为研究
蔡伟ｈ，曹东辉２ （１．江苏省特种设备安全监督检验研究院苏州分院，江苏苏州２１５１２５；
２．丹东市锅炉压力容器检验研究所，辽宁丹东１１８０００）
［关键词］Ｔ∥Ｃｕ界面；接触反应钎焊；反应铺展；表面膜；加热温度；保温时间
１９Ａ：６７５．
［４］ＲＡｍｉｒｅｚ Ｊ Ｅ，Ｌｉｕ ｓ．Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｒａｚｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｎｉｃｋｅｌ－ｂｏｒｏｌｌ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ｗｅｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ，１９９２，１０：３６５．