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TC4合金TLP扩散焊的组织与性能 |
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作者：北京航空材料研究院 程耀永 马利 郭万林 |
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钛合金因具有比强度、比刚度高，抗氧化、耐腐蚀等一系列优点，在航空、航天及其他工业领域得到越来越广泛的应用。作为一种重要的结构材料，连接是钛合金结构件必不可少的关键制造技术之一，对于一些结构复杂或需大面积焊接的结构，钎焊和扩散焊具有独特的优势，因此钛合金的钎焊与扩散焊在航空航天及其他高技术领域应用广泛，例如，超音速飞机刚度面板、涡扇发动机空心风扇叶片、航天飞机防热瓦、航天飞行器栅格翼等。然而由于钛合金化学性质非常活泼，钛与大多数金属均形成脆性很强的金属间化合物，因此其钎焊接头具有难以克服的脆性而强度不高。因固相扩散焊有加压条件要求，限制了其在复杂结构上的应用。而瞬间液相（Transient Liquid Phase）扩散焊技术综合了钎焊和固相扩散焊的优点，既不需要很高的压力又能实现高强度无脆性连接，是钛合金连接较为理想的工艺。
本研究采用具有代表性的TC4钛合金，采用钛基非晶态箔带作为中间层合金，对其瞬间液相（TLP）扩散焊工艺，接头的组织和性能，元素分布情况进行了研究和测试分析。
1试验材料和方法
1.1试验材料
试验用母材为δ=2.0mm的TC4钛合金板材，试验用中间层合金为BTi35ZrCuNi非晶态箔带，非晶态箔带厚0.04mm。
1.2试验方法
采用厚2.0 mm的TC4板材进行了搭接和对接试样的TLP扩散焊，中间层合金夹于连接面之间，搭接长度小于2.0 mm；对连接界面进行磨削。试样装入不锈钢夹具后入炉焊接，以保证连接面的良好接触；焊接规范为940 ℃，15 min～4 h，焊接过程中真空度优于1×10 -2 Pa。焊接后采用线切割将试样切成条形拉伸试样，对接头性能进行测试。采用金相显微镜、扫描电镜、电子探针等手段对接头组织、接头中元素分布情况进行观察、测试和分析。
2试验结果及分析
2.1TC4合金TLP扩散焊的接头组织
图1为TC4合金采用BTi35ZrCuNi中间层合金940℃不同保温时间的接头组织。15min保温时，实际为钎焊接头组织，接头区以共晶组织为主。经1～4h保温后，接头焊缝区组织明显加宽，共晶组织减少和完全消失，形成了典型片状α+β组织。随着保温时间的增加，β相含量减少，焊缝宽度增加，且已看不出原始装配间隙的痕迹，焊缝宽度已达0.25mm左右，远宽于原始0.05 mm的装配间隙。众所周知，α+β钛合金变形后再经不同的保温温度冷却后得到不同的组织形态 ［1］ ，940 ℃保温时，基体α相再结晶形成等轴α并发生一定程度的长大，形成比原晶粒略有粗大的等轴组织；而在焊缝区，由于钎料中含有一定量的Cu、Ni等β稳定元素，使焊缝区的β转变温度降低，即在940℃保温时，焊缝区已完全进入β相区，炉冷后得到片状α+β组织，呈网篮组织。与等轴组织相比，网篮组织塑性较差，但仍具有较好的强度和断裂韧性，在α+β钛合金中还是允许存在的。 
图 1TC4合金不同保温时间的TLP接头组织200×
Fig.1The microstructures of the joints bonded for different time
(a) 940℃/15 min ; (b) 940℃/1h ; (c) 940℃/2h ; (d). 940℃/4h
2.2接头中元素的扩散
采用电子探针对TC4合金接头中的Ti、Zr、Cu、Ni四个元素的分布情况进行了测试分析。测试时从焊缝中央开始，向母材方向每隔一定距离测一点的平均成分，斑点直径为10μm，并将测得结果绘制成曲线，如图2。从元素的分布曲线可看出，接头中的元素分布具有明显的规律性，随着保温时间的增加，Zr、Cu、Ni等元素的扩散越来越远，其在焊缝中央的含量也越来越低，经4h扩散后，焊缝中央的Cu、Ni的最高含量分别降至1.63%和0.99%，远低于中间层合金中的含量。可见在此温度下增加保温时间对接头区域的成分均匀化和有害元素含量的降低非常有利。据文献［2］报道，在采用Cu作中间层合金的钛合金的LID扩散焊时，当Cu含量低于5.4%时，接头具有较好的韧性，而本试验所得接头中最高Cu含量低于2%，Ni含量低于1%。图3（b）所示的940℃/4h规范下所焊得的TLP接头断口照片表明，焊缝处断口为不大的韧窝，说明接头为韧性断裂，接头具有比较满意的韧性。 
图 2TC4合金TLP接头中的元素分布
图 3接头断口形貌
(a)搭接圆角处母材断口200×;(b)940℃/4h对接接头焊缝处断口2000×
2.3接头的拉伸性能
对采用搭接和对接两种接头形式的TC4合金TLP扩散焊接头的抗剪和抗拉性能进行了测试，剪切接头的搭接长度约2.0mm。结果见表1。表 1TC4合金TLP扩散焊接头的力学性能
 从表1中可看出所有搭接试样均断于母材搭接圆角处，这是由于接头形式选择不当造成的。对于搭接接头，一方面由于结构形式造成搭接处的应力集中，另一方面由于中间层合金的用量较大，在搭接圆角处产生焊料堆积，由于堆积处焊料层较厚，Cu、Ni的总量较多，扩散至此处母材而使母材变脆。图3断口照片也表明在搭接圆角处产生约0.2mm的脆性区。尽管所测搭接试样均断于母材，未能测出焊缝的实际强度，但可以肯定其抗剪强度均大于400MPa。为了不过分削弱母材的性能，在中间层合金添加时，一定要控制其用量，避免形成过大的圆角。
表1中对接接头数据基本上反映了接头的实际强度。15min保温时接头为钎焊组织，强度较低，断口分析表明其断口为脆性断口，随着保温时间的增加，接头中Cu、Ni元素扩散越来越远，接头中化学成分逐渐均匀化，接头强度提高，脆性减弱。940℃/4h的TLP接头的强度达到907MPa，接近母材水平，断口分析表明，接头具有较好的韧性。
3结论
(1) BTi35ZrCuNi系非晶态箔中间层合金可成功地用于钛合金的TLP扩散焊。
(2) 所得TLP接头组织为α＋β组织，4h扩散后焊缝区为网蓝状组织，片状组织宽度远大于原始装配间隙。
(3) 随着保温时间的增加，TLP接头的元素分布趋于均匀化，4h扩散后Cu、Ni最高含量分别降至1.63%和0.99%。
(4) 在规范下TLP接头抗拉强度大于900MPa，随着保温时间的增加接头的韧性提高。 (end)
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(4/16/2007) |
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