復合板由于具兩種或兩種以上材料的性能，引起了許多學者[1-2]的重視，做了很多的研究工作，并取得了一定的工 程實際效應。于昕等人[3]對鋼/銅/鈦擴散界面進行了分析，結果表明界面出現了3種不同的金屬間化合物，TiCu，TiCu2，βTiCu4，并且擴散 時間對界面強度的影響存在一個臨界區間, 擴散時間超過臨界區間時，剪切強度開始下降。趙應富等人[4]研究了銅鈦復合板界面強度的影響因素，發現加熱溫度起到主要的支配作用，加熱溫度超過 700℃將影響復合板的質量。

　　攪拌摩擦加工(Friction stir processing 縮寫為FSP)是由美國密蘇里大學的R S MISHIRA[5]于2000年基于攪拌摩擦焊工藝提出的材料改性與制備新技術。FSP主要用于制備表面復合材料，如鋁基、鎂基表面復合材料[6]，并 取得了一定的成效，但對于異種材料的復合研究較少。本文采用攪拌摩擦加工法，在銅板上進行攪拌摩擦加工，探索用該方法制備銅/鈦復合材料的可行性。

　　2 實驗材料與方法

　　試驗材料為4mm厚的T2紫銅板及2mm厚的TC4鈦合金板，其化學成分見附表。

　　用自制的焊接夾具在X53K型立式銑床改裝成的攪拌摩擦焊設備上進行試驗。攪拌頭旋轉速度為750r/min, 焊接速度為23.5mm/min，攪拌頭傾角2°，攪拌頭軸肩直徑為26mm，攪拌針直徑為10mm，長度為3.4mm。

　　垂直于焊縫方向截取試樣，進行界面形貌觀察。采用不同腐蝕劑分別侵蝕接頭不同的部位。其中，銅側用三氯化鐵-鹽酸-酒精溶液腐蝕，鈦側用氫氟酸-硝酸-蒸 餾水(13：26：100)，腐蝕后用清水清洗，并用酒精吹干。采用401MVD數顯顯微硬度計，對試樣進行硬度測試分析。利用Quanta 200型掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭元素分布情況。

　　3 實驗結果與分析

　　圖 1為不同攪拌針插入量下銅/鈦復合板的橫截面宏觀形貌圖，圖1(a)和(b)焊核形貌為洋蔥環狀，界面較平整;圖1(c)和(d)焊核形貌出現收縮，團聚 現象，界面呈波浪狀。圖2為圖1中各個區域微觀的放大圖，圖2(a)界面處，兩者并沒有結合，界面處開裂;圖2(b)、(c)、(d)界面處兩者連接良 好，表現為波浪形態。

　　攪拌針插入量較小時，攪拌針只是在復板(銅板)上行走，并沒有接觸到基板(鈦板)，因此接頭保留了銅攪拌摩擦焊時，常見的焊核形貌特征——洋蔥環[7]。異 種金屬的連接，界面往往作為一個復雜、重要的過渡區域。銅/鈦板接觸表面凹凸不平，在攪拌工具軸向壓力作用下，凹凸不平的表面，首先咬合貼緊。正是由于攪 拌針沒有接觸到基板，基板僅僅受攪拌工具的軸向壓力和復板傳導的熱的影響，但兩者的作用不足以讓復合板產生機械連接，在冷卻收縮后復板和基板容易脫離。攪 拌針插入量增加時，攪拌針離底板越來越近，基板受復板熱傳導的影響增強，基板氧化膜與基體的膨脹系數不同，并在基板中出現熱應力，導致氧化膜脫落、剝離基 體, 而進入界面另一側。塑性較差的氧化膜和塑性較強的銅混合后，勢必會阻礙焊核處金屬的流動，因此焊核形貌出現了收縮、團聚。

　　從垂直銅/鈦復合板界面線掃描的結果可以看出，界面兩側Cu、Ti元素進行了互擴散，界面銅側Ti元素的擴散量要大于界面鈦側Cu元素的擴散量，如圖3所 示。由Arrhenius公式[8]可知，一定條件下元素的擴散行為主要與溫度和擴散激活能有關，僅考慮溫度對擴散的影響，不難解釋界面兩側的元素擴散行 為不一樣的現象。復板的溫度高于基板的溫度，并且復板攪拌區的金屬處于塑化狀態，這樣有利于Ti 元素向復板擴散，基板的金屬處于剛性狀態，不利于Cu元素向基板擴散，這也是圖中兩種元素擴散量不同的原因之一。

　　對接頭進行硬度測試，結果說明了銅側的硬度數值已經和銅的攪拌摩擦焊[9]的硬度分布曲線存在差別，這也與元素的擴散行為有關，如圖4所示。復板中的溫度較 高，對復板起到了退火的作用，使銅母材的硬度數值在85 HV左右。除了銅母材外，其他區域的硬度數值都在100HV以上，焊核區域出現了軟化的現象，但數值依然高于100HV。焊核區的晶粒雖然很細小, 但是由于位錯密度的下降和第二強化相的溶解，使得焊核區相比其他區域的硬度數值要小。最高的硬度數值出現在焊核和熱力影響區的交界處。銅側由于受Ti元素 擴散的影響，鈦和銅生成某種金屬間化合物，使得硬度數值整體上升，并且銅側離界面越近，這種現象就越明顯。界面另外一側，母材鈦的硬度數值在330HV左 右，同樣受Cu元素擴散的影響，在擴散區域硬度數值要高出母材50HV。

　　4結束語

　　4.1 攪拌頭旋轉速度為750r/min，焊接速度為23.5mm/min，攪拌頭傾角2°, 攪拌針插入量在0.3~0.6mm，用攪拌摩擦加工法制備銅/鈦復合板是可行的。攪拌針插入量較小時，焊核形貌為洋蔥環形貌;攪拌針插入量較大時焊核中塑 性金屬容易團聚、堆積。

　　4.2 界面兩側Cu-Ti元素進行了互擴散, 并且Ti向復板銅側的擴散量要大于Cu 向基板鈦側的擴散量。

　　4.3 母材銅的硬度數值在85HV左右, 母材鈦的硬度數值在330HV左右，界面兩側其他區域，受元素互擴散的影響，硬度數值都有不同程度的提升。焊核區出現了軟化現象。