采用真空擴散連接技術制備了高強度Mo/Ti6Al4V連接接頭，研究了不同擴散連接溫度和保溫時間對Mo與Ti6Al4V連接接頭界面組織及力學性能的影響。結果表明，Mo/Ti6Al4V接頭的擴散層寬度隨著連接溫度的不斷升高而逐漸變寬，形成了由Mo、Ti、Al和V組成的擴散層，在1100℃下由于熱失配的問題界面處出現開裂的現象。在連接溫度為900℃時，延長保溫時間有助于提高元素的互擴散作用，擴散層的寬度由保溫10 min的1.85 μm提高到保溫90 min的5.75 μm。Mo/Ti6Al4V接頭的拉伸強度呈現出隨擴散溫度和保溫時間先增加后減小的趨勢。當擴散溫度1000℃，保溫時間60 min時，Mo/Ti6Al4V接頭拉伸性能達到最大值為323 MPa。

鉬合金具有熔點高(2610℃)、熱膨脹系數低、耐熱應力沖擊和導熱好等特性，在航空航天、武器裝備和核能等工作溫度在1600℃以上的高溫領域得到廣泛應用[1-5]。鈦合金因具有比強度高、抗疲勞性好和耐腐蝕性強等優點[6-7]，廣泛應用于航空航天、核能、化學和生物醫藥等領域[8]。由于航空發動機噴管要求材料具備輕量化、耐熱沖擊性好等特性[9]，因此將Mo合金與Ti6Al4V連接制成整體構件，可充分發揮兩種材料的優異特性，實現在極端環境下(3000 K)服役部件對材料的要求。

Mo合金和Ti6Al4V在熔點、熱膨脹系數等物理性質上存在較大差異[10-11]，因此在連接過程中容易出現由于應力集中而導致接頭開裂的問題。Mo合金的焊接性能差[12]，對氣態雜質敏感[13]，在連接過程O、N等氣態雜質富集在晶界處引起Mo合金脆化[14]。國內外學者探究了Mo合金與Ti6Al4V的連接問題，其中Chang等人利用紅外釬焊連接純Mo與Ti6Al4V合金，加入中間層Ti-15Cu-15Ni，樣品在970℃焊接180 s時，強度為251 MPa[15]；祁凱等人采用Ti-28Cu-12Ni釬料對Mo和Ti6Al4V合金進行了釬焊，釬縫中生成了Ti2Cu、TiCu和Ti2Ni等脆性金屬間化合物，導致接頭強度低[16]。這些研究中Mo/Ti6Al4V接頭中出現了大量的金屬間化合物且強度低，限制了整體構件的廣泛使用，因而Mo合金與Ti6Al4V實現高強度可靠連接是亟需解決的問題。

本文采用真空擴散連接技術連接Mo和Ti6Al4V合金，研究不同擴散溫度和保溫時間對接頭微觀結構與力學性能的影響以獲得高強度的連接接頭，為鉬合金與鈦合金連接開辟了新的可能性。

實驗

本實驗連接樣品采用粉末冶金方法制備的Mo合金(Mo的質量分數為94%，TiC的質量分數為6%)和商用Ti6Al4V，尺寸為15 mm×15 mm×20 mm。將待連接表面用100#，400#，600#，800#，1000#，1500#的砂紙磨亮，然后用0.5 μmAl2O3粉末拋光，獲得近鏡面平面。

擴散連接

本實驗研究在800、900、1000和1100℃下直接擴散連接Mo/Ti6Al4V，保溫時間60 min，壓力為20 MPa；在擴散溫度900℃，壓力為20 MPa時，分別保溫10 min、30 min、60 min和90 min直接擴散連接Mo/Ti6Al4V。

機械測試

擴散連接樣品采用線切割方法從Mo/Ti6Al4V連接界面加工出檢測樣品，分別取四個26 mm工字型拉伸試樣用作拉伸實驗，兩個尺寸為0.5 mm×1 mm×1 mm小方塊用于SEM和EPMA的檢測。使用萬能試驗機(Instron3369)以1 mm/min的速度在室溫下測量Mo/Ti6Al4V接頭的拉伸強度；使用掃描電子顯微鏡(SEM，Quanta 250 FEG)裝配能譜儀(EDX)檢測接頭界面的微觀組織結構和斷口形貌；采用電子探針測定擴散層的元素分布。

結果與討論

Mo/Ti6Al4V連接界面的微觀組織

圖1顯示了不同擴散溫度下為(a)800℃，(b) 900℃，(c) 1000℃和(d) 1100℃擴散連接Mo/ Ti6Al4V的連接界面。從圖中可以看出，擴散溫度為800~1000℃時，隨著擴散溫度的升高擴散的厚度從0.91 μm增加到12.87 μm，擴散溫度為1100℃連接界面產生了裂紋，這可能是由于擴散溫度高，兩種母材的熔點及熱膨脹系數不匹配，從而產生殘余應力，導致材料開裂。根據式(1)可知隨著擴散溫度的升高，組元原子的擴散系數呈指數級增加，擴散距離增加；同時隨著溫度升高平衡空位濃度增大有利于擴散，因此擴散層變厚。

式中，D為擴散系數，D0為擴散常數，Q為擴散激活能，R為玻爾茲曼常數，T為溫度。

圖2顯示了擴散溫度900℃時，不同保溫時間下擴散連接Mo/Ti6Al4V的連接界面。從圖中可以觀察到，隨著保溫時間的延長界面擴散層的厚度從1.85 μm增加到5.75 μm，保溫時間90 min時在Mo合金母材中發現了微裂紋，微裂紋沿著Mo合金中小的黑色圓形顆粒偏折擴展。根據式(2)可知，保溫時間與組元原子擴散的距離呈拋物線關系，保溫時間延長擴散層厚度增加。與圖1相比，保溫時間從10 min延長到90 min，擴散層的厚度由1.85 μm增加到5.75 μm，而擴散溫度從800℃升至1000℃，擴散層的厚度由0.91 μm增加到12.87μm。由此可見，擴散層厚度的增加對擴散溫度的敏感度大于保溫時間。

式中，x為擴散距離，k為常數(根據C/C0和D的數值確定)，t為擴散時間。

Mo/Ti6Al4V連接界面的元素分布及擴散行為

圖3為擴散溫度900℃，保溫時間60 min直接擴散連接Mo/Ti6Al4V的連接界面的背散射掃描圖片和對應的線掃描圖。從圖中可以看出，擴散層的厚度大約為4 μm，線掃的結果顯示在擴散層中Mo、Ti元素的變化明顯，從Mo合金側到Ti6Al4V側Mo元素的含量連續降低，Ti元素的含量連續升高，Al和V兩種元素呈現出緩慢上升的趨勢。

為了確定元素的分布和分析擴散行為，采用EPMA分析擴散連接溫度1000℃，保溫時間60 min下形成的連接界面，如圖4所示。圖中可以看出，Mo、Ti、Al和V均勻地分布在擴散層中而沒有明顯的團聚，界面處區域4的Mo的原子數分數為38.807%，Ti為52.364%；在界面左側區域3和2的Mo的原子數分數分別為7.724%和0.161%，而在界面右側區域5處的Ti原子數分數僅有2.291%。根據Mo、Ti元素在界面兩側的含量變化可知，Mo原子向Ti6Al4V基體中擴散的速度比Ti原子向Mo合金基體中擴散的速度快。根據馮亮等人[17]的研究可知，溫度為1000℃時，Mo在Ti中的擴散系數為3.95×10–14m2/s，Ti在Mo中的擴散系數為2.80×10–17m2/s，因此在互相擴散過程中，Mo原子向Ti6Al4V母材擴散的速度大于Ti原子向Mo合金母材中的擴散速度，這也與實驗結果相吻合。分析原因為：Mo的原子半徑(1.39 ?)小于Ti的原子半徑(1.47 ?)[18]，因此Mo原子比Ti原子容易擴散；Mo的熔點(2160℃[1])和Ti(1660℃[8])相差較大，金屬熔點越高，空位的形成能和遷移能越大，因此在相同條件下，Mo合金基體中形成的空位數比Ti6Al4V基體少，有利于Mo原子擴散到Ti6Al4V基體中。

Mo/Ti6Al4V連接界面的力學性能和斷口分析

圖5(a)為不同擴散溫度下保溫60 min的Mo/Ti6Al4V擴散連接接頭的拉伸強度，圖5(b)為擴散溫度900℃時，不同保溫時間下Mo/Ti6Al4V擴散連接樣品的拉伸強度。從圖5(a)可以看出，隨著溫度升高拉伸強度先上升后下降，當擴散連接溫度為800℃時，接頭的抗拉強度相對較低(81 MPa)，隨著擴散連接溫度的升高拉伸強度提高，在1000℃達到峰值323 MPa。從圖5(b)中可以發現，隨著保溫時間的延長拉伸強度先上升后下降，保溫時間10 min時，拉伸強度較低(98 MPa)，隨著保溫時間延長到60 min時拉伸強度達到峰值(270 MPa)。由此可見，本實驗中Mo/Ti6Al4V連接接頭的拉伸強度遠遠超過采用Ni中間層擴散連接的Mo/Cu接頭強度(97 MPa)[19]和采用中間層Ti-15Cu- 15Ni紅外釬焊Mo/Ti6Al4V的強度(251 MPa)[15]，甚至超過激光連接NiTi/Ti6Al4V接頭強度(300 MPa)[20]。圖6顯示了不同擴散溫度下Mo側的Mo/Ti6Al4V連接界面的斷口掃描圖像。斷口形貌主要表現出脆性斷裂形態，為典型的沿晶脆性斷裂，隨著擴散溫度的升高，晶粒無明顯長大。

結束語

(1)采用擴散連接技術制備了Mo/Ti6Al4V連接樣品，獲得了質量良好的連接接頭。(2)隨著擴散溫度的升高和保溫時間的延長，擴散層的厚度都不斷增加，且擴散溫度的敏感度大于保溫時間。(3) Mo/Ti6Al4V連接界面的擴散層由Mo、Ti、Al和V組成，在互相擴散過程中Mo原子向Ti6Al4V基體中擴散的速度比Ti原子向Mo合金基體中擴散的速度快。(4)擴散溫度1000℃，保溫60 min時，Mo/Ti6Al4V實現高強度連接，拉伸強度為323 MPa，斷裂方式為脆性斷裂，斷裂位置為靠近擴散層的Mo合金母材處。

文章來源——金屬世界