Ti3Al材料的应用与连接现状 - 文章

Ti3Al材料的应用与连接现状

作者：哈尔滨理工大学秦优琼孙凤莲

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摘要：简要介绍了Ti3Al基金属间化合物的开发应用概况，其室温塑性的突破，生产应用技术的完善以及复合材料的新发展，使Ti3Al具有美好的发展前景；本文重点阐述国内外关于Ti3Al的连接技术，主要有扩散焊、摩擦焊、激光焊、电子束焊、氩弧焊等，并指出了需深入研究的问题。
关键词：Ti3Al 扩散焊接摩擦焊接

引言

近年来，随着材料科学的发展以及能源危机的冲击，特别是当今航天、航空、原子能等尖端科技的发展，人们对材料的性能提出了越来越高的要求，金属间化合物合金由于在高温下具有较高的强度和弹性模量、优良的抗蠕变和抗氧化性能，成为近年来重点开发应用的新型结构材料。据推测，下一代飞行器发动机中占质量的20%以上的部件均可能用金属间化合物制造，并且这些金属可以同样用于地面设备。目前，较活跃的三种金属间化合物为：Ni-Al系金属化合物(包括Ll1结构的NiAl和Ni3Al)；Fe-Al系化合物(B2结构的FeAl和Fe3Al)；Ti-Al系化合物(Ll0结构的TiAl和DO19结构的Ti3Al)。Ni-Al系金属化合物在室温下具有优异的抗腐蚀能力，受到工业界的注意，但其晶间脆断是制约工程化应用的最大障碍，Fe-Al系化合物常温时的低塑性和低的断裂抗力以及在600℃以上高温低的强度和蠕变性能，尤其是环晶脆化影响其应用，而Ti3Al化合物具有在下个十年推动结构材料变革的潜力。它不但具有耐高温、抗氧化，密度低(4.7g/cm3)的特性，而且弹性模量、抗蠕变性能比钛合金好得多，密度只有镍基合金一半。因此，它被认为是一种理想的富有开发应用前景的航空、航天、军事及民用的新型高温结构材料[1-4]。

本文主要在Ti3Al基金属间化合物的开发应用、连接方法等方面综述国内外的主要研究成果。

1　开发应用概况[4-6]

1.1室温塑性的突破，加快了Ti3Al材料的研究步伐

Ti3Al与其他钛合金相比，密度较低而使用温度更高，因此，从20世纪50年代开始，一些国家就开展了Ti3Al金属间化合物的研究，但由于脆性问题，限制了它们的应用。直到70年代后期，第一个呈现一定室温塑性的Ti3Al合金(Ti-24Al-11Nb,at%)的问世，为该研究工作带来了转机，于是Ti3Al金属间化合物重新引起人们的注意，进入新的发展时期。80年代初，室温和高温强度等方面更具优越性的超а2合金(Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo)被发明，更加快了Ti3Al金属间化合物的研究步伐。

1.2 生产应用技术的日益完善，预示Ti3Al发展的美好前景

在国外，如Ti3Al基合金研究开发最先进的美国，用 TiAl14 Nb21合金已经铸出了3200kg重的铸锭，并轧制出0.08×914×234.8mm的箔材，其蠕变强度与镍基高温合金相当，美国空军已将Ti3Al基材料作为新一代高性能发动机工程的候选材料，准备装在M=5的号称“东方快车”的X-30飞机上。在国内，北京钢铁研究总院Ti-Al课题组对Ti3Al基合金进行了系统的研究，研制出综合性能全面优于美国的a2和超a2的一种新型Ti3Al基合金(TiAl24Nb14V3Mo0.5),命名TAC

-1，该合金突破了超塑性工艺难关、焊接工艺难关以及薄板轧制工艺难关。北京航空材料研究院曹春晓等人优选出两个无钒的Ti3Al合金即TD3(TiAl24Nb15Mo

1.5)和TD4(TiAl24Nb13Mo1.5Si

0.5)，与TD2合金相比，TD3和TD4具有更好的抗氧化性、断裂韧性、塑性和高温持久性能。目前，已用Ti3Al试制了气体涡轮的燃烧器旋流器、压缩机外壳、支撑环、在燃烧器，涡轮导风板。

1.3复合材料的新发展促进了Ti3Al材料向纵深方向发展

由于特超音速航空航天飞机等先进飞行器的发展，使蒙皮及发动机叶片(包括风扇叶片)等零件的工作温度急剧上升，Ti3Al为基的复合材料满足了高温强度和抗磨损性，且其重量相当于钛或低于钛，比镍基合金轻得多，因此，Ti3Al为基的复合材料得到了迅速的发展。Texax仪器公司已轧制出0.09mm厚的箔材(强度810MPa),用于蒙皮及发动机叶片、风扇叶片等；Chem-Tronic公司也能制造出这种箔材，其规格和公差已达到相当高的水平(厚0.07mm，宽914mm，长1143mm，厚度公差=0.013mm)。

1.4 Ti3Al合金的种类

目前发展的Ti3Al基金属间化合物的种类有多种，但研究最多的是a2合金（如Ti-24Al-11Nd）和超a2合金(典型合金如Ti-25Al-10Nd-3V-1Mo),后来又发展的O相（Ti2AlNd）合金，O相合金比超a2合金具有更高的断裂韧性和蠕变抗力，成为近期的研究重点，典型合金如Ti-24.5Al-23Nd、Ti-22Al-27Nd。表１中给出了几种常用的Ti3Al合金的室温力学性能和高温蠕变破断寿命。

表１　Ti3Al合金的室温力学性能和高温蠕变破断寿命

2　连接技术

从现有的有限研究结果来看，Ti3Al合金的连接有固相连接和熔化连接，主要包括氩弧焊、激光焊、电子束焊、扩散焊、摩擦焊等。

2.1扩散焊接

固态扩散连接是一种获得整体接头的方法，是靠高温下材料表面的局部塑性变形使接触面之间贴紧来保障连接材料表面层上的扩散，因而产生了原子量级上的结合，便形成了整体的接头。

国外对Ti3Al扩散焊进行了一些研究，根据文献[7，8]报道，超塑性成型与扩散焊连接的SPF/DB工艺成功对α2和super α2进行了连接，连接发生在β转变温度以下。当连接温度处于β转变温度以上时，溶合线附近发生α→β的相转变，组织较粗大，而β转变温度以下，组织比较细小，接近等轴。对super α2 3mm后的焊接接头的研究表明，在β线(1085℃)以下施焊，可得到满意的焊接接头，此时接头显微组织中约含80％的β相，并且最低的扩散焊温度还可降低。

采用电容放电加热对α2合金进行的扩散焊，其接头质量较好。固相接头中随电极力增加，焊件接头的切变强度增加，其性能远高于熔焊接头的性能。在1.7mm厚板材中，剪切强度达355MPa，最高硬度出现在接头处，K氏显微硬度为380。

有关Ti3Al与异种材料(TiAl6Sn2Zr4Mo2Si0.1)的扩散焊接中，报道了接头处有元素扩散现象，导致出现了组织梯度。另外，英国曼切斯特大学材料科学中心研究了3mm厚的Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo板材的超塑性成型/扩散连接工艺，测试了合金在940~980℃范围内的一系列等压扩散焊参数(压力-温度曲线及压力-时间曲线)，试验表明，该合金在ε=1.66×10-3s-1时，超塑性延伸率可达到1350%，超塑成型件无空洞，在工业上有实用意义。

国内北京航空工艺研究所祝汉良等[9]研究了Ti3Al超塑性扩散连接的物理模型和数学模型，并对焊接工艺过程进行了计算。计算结果和试验基本吻合：表面粗燥度小，可降低连接温度减少压力，焊接质量越高，扩散连接时间越短；在压力不变的条件下，温度升高可缩短扩散连接时间，但压力不宜过大，否则对扩散连接将带来许多不利因素。

2.2摩擦焊

对于Ti3Al的摩擦焊工艺研究也取得了一定进展[10-12]， Baeslack、Nicholas、Weykamp等人对Ti3Al的线摩擦焊进行了研究：对于Ti-14Al-21Nb自身焊接，焊接频率为12.5~50Hz内时，不同的频率将影响焊馏的尺寸大小，频率为12.5和25Hz时，接头连接良好，50Hz时有裂纹趋向，但频率不明显影响焊接显微组织和显微形貌；从焊接区到基体材料所作的硬度测试显示，其硬度由250KHN增加到500KHN,由此表明接头强度是比较高的，但熔化区的韧性低于基体材料，三点弯曲试验表明断裂发生在表现为脆性的熔化区(韧性低于2%)。Baeslack等人又研究了Ti-14Al

-21Nb与Ti-6242的异种焊接,试验发现，焊接频率最佳在25Hz左右，未发现有裂纹存在，在更低的频率下如12.5Hz不能产生连接。1995年，英国焊接学会针对燃气涡轮机上应用的Ti3Al合金Ti－14Al－21Nb进行了线性摩擦焊研究[13]。国内未见关于摩擦焊的报道。

摩擦焊虽然可以实现连接，但接头形式受到限制，不能连接形状复杂的构件及中空内部焊缝，有时不易加中间层，使接头质量难以控制，只在一些特殊的情况下应用。

2.3激光焊

Cieslak[14-18]等人报道了1.7mm厚板材利用Nd:YAG激光焊的研究,在光学显微镜下观察熔化区除了有蜂窝状的残余β相，没有明显的特征，熔化区的硬度明显低于热影响区的硬度。焊后热处理(真空热处理10-4Pa,565℃,4小时保温，在随炉冷)，熔化区的硬度明显提高，但韧性下降，这是由于熔化区中β相向细晶α2相转变。Baeslack也研究了超α2合金的CO2激光焊，发现大量的B2微观组织的存在固态裂纹，这表明在有序的B2组织中易发生断裂。在超α2电容放电电阻焊中，Baeslak发现了相似的过程，微观组织也是由有序B2组织组成，在冷却的过程中发生断裂。

国内吴爱萍[19]等人对TiAl24Nb17合金用连续激光双面氦气保护下焊接，得到了较满意的接头，但焊接名义输入较大时，接头的纵向弯曲塑性降低，而柱状晶方向性明显时，尤其受力方向垂直时对纵向弯曲塑性更为不利。而且，由于激光焊缝较窄且硬度与母材接近，接头横向拉伸时断裂在母材中，接头强度基本与母材相同，塑性低于母材，但可以达到14%~17%。钢铁研究总院报道用激光焊焊接了TAC-1合金，室温拉伸延伸率达到8%,接头质量较好，焊件板状拉伸试样的力学性能检测结果表明焊后合金仍能保持高的塑性水平。

2.4电子束焊接

David[20]研究了6mm厚α2合金板材的电子束焊接特性，发现焊件溶合区和热影响区的峰值硬度较基体有显著的增加。David等还报道了HAZ宽度与加工参数的关系，随能量输入的增加，HAZ宽度增加，峰值硬度也随之增加，这是由于在较低的能量输入条件下，有较多的β相被保留下来，从而α2马氏体的相对数量降低。

国内清华大学张文雪[21]等人研究了(TiAl24Nb16V3Mo0.5)Ti3Al基合金为1.5mm厚的热轧板材的真空电子束焊接，焊后可得到单面焊双面成型的焊缝，且试样表面状况良好、无裂纹、气孔及其它不连续缺陷，无明显氧化。但焊后试样的微观组织与母材相比发生了显著变化，焊接线能量介于33.9kJ/m~52.8kJ/m的焊接试验表明，随着线能量的增大，即冷却速度的降低，焊接热影响区的硬度增大，熔化区的硬度降低，试样的弯曲塑性降低。焊接线能量低于35kJ/m时，试样断裂弯曲塑性大于3.2%。钢铁研究总院对TAC-1进行了电子束焊接。接头质量不错，其焊缝(包括热影响区)宽度小于2mm，用TAC-1合金制作的火箭发动机涡轮组件的实验件成功的用电子束焊接工艺将大、中、小法兰、管段以及壳体等零件组合。

2.5 氩弧焊

David[20]用自动氩弧焊焊接了6mm厚的板材，其熔池较窄，由于其渗透深度不够，不能估计试件热裂纹敏感性，但用Sigmajig测试可对这种合金凝固裂纹的趋势进行估计。Baeslack[22]等人对Ti3Al的自动氩弧焊进行了研究，结果表明：冷速须达25℃/s或更慢时，才能得到较好的显微组织。Cieslack等人计算结果表明生产平衡的(α2+β)相组织须达到795℃以上的道次间温度，且须采用小于0.1℃/s的冷速。

国内如清华大学张文雪[23]等人研究了用热模拟实验方法在GTAW焊接条件下Ti3Al基合金的焊接性，冷却速度对热影响区组织、力学性能、断裂行为的影响。实验中冷却速度提高，弯曲塑性降低，硬度增加。

3.6其他焊接方法

闪光焊研究表明，增加扰动距离，将引起更多的被加热金属进入闪光焊区，使热影响区的宽度降低，接头强度增加。在所研究的范围内，生成的主要是马氏体组织，接头的K氏显微硬度超过基体200以上，最好的室温强度(UST=490Mpa)，在最高硬度的中得到，当所的数值分散性较大，最低强度为158~167Mpa。

Baeslack[24]电阻焊焊接了以SiC增强正交基Ti-22Al-23Nb：焊接电流影响焊接质量，电流在0.8~1.0kA时，不能产生连接，1.0~1.4kA时 ,可以实现连接，焊接直径也逐渐增加，当电流达到1.6kA以上时，在基体金属中出现了熔化现象(介于SiC，接近焊接界面处)。

4 结语

从现有的有限研究结果看，α2合金可以采用固态焊和熔焊工艺焊接，只是其焊后性能，包括室温和高温性能尚未最后确定，不能肯定所有这些方法都可以应用于关键部件的焊接。而且对焊接性能关键控制因素物理冶金特点研究不够,焊接的主要困难是需找到某种工艺，使焊件室温下仍能保持一定的塑性。为此，今后要加强材料性能与显微组织和加工工艺参数间关系，以及不同条件下采用合适的焊接工艺等方面的研究，进一步提高Ti3Al基合金的高温强度、抗蠕变性，提高室温塑性和抗氧化能力，使之更快地迈向实用化。

随着Ti3Al室温塑性的突破，生产应用的日趋成熟以及复合材料的新发展，Ti3Al基合金将具有更广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 彭超群，黄伯云，贺跃辉. Ni-Al系、Fe-Al系和Ti3Al金属间化合物研究.特种铸造基有色合金.2001，(6)：27~29
[2] 邬彦如，周光爵.Ti3Al基合金研究现状.稀有金属.1991，15(4)：283~289
[3] 邹敦叙，贾天聪，王斌.Ti3Al基合金的近期发展.国外金属材料.1990，(4)：10~16
[4] 曹春晓，马济民，颜鸣皋.Ti3Al基合金的进展.材料工程.1991，(2):32~35
[5] 强.金属间化合物.北京：机械工业出版
[6] 秦高梧，郝士明.Ti-Al系金属间化合物.稀有金属材料与工程.1995，24(2)：1~7
[7] Threadgill P L et al.. Metallurgical aspects of joining titanium aluminide-alloys. In:ProcInt.Symp.onIntermetallicCompounds(JIMIS-6),Sendai,Japan,1991,JIM:1021~1025
[8] Ridley N et al.. Resistance diffusion bonding of a titanium aluminide alloy.In:Proc.Int.Confon.high Temperature Intermetallics,London,1991,Institute of Metals:198~200
[9] 祝汉良. Ti3Al超塑性扩散连接的理论计算.材料科学与工艺. 1999，(7)：226~230
[10]L.Threadgill. The prospects for joining titanium aluminide. Mat.Sce.Eng. 1955. A192/193: 640~646
[11]Baeslack,W.A.III,Mascorella,T.and Kelly,T.J.Weldability of a titanium aluminide.Welding Journal,Vol.68,No.12,December,1989,pp483~498s
[12]Nicholas..D.,Friction welding of non-circular sections with linear motion,Weld. Inst.Res.Res.Report,332/1987
[13]Baeslack Ⅲ W. A., Threadgill P. L., and Nicholas E.D. Linear Friction Welding of α2 Titanium Aluminides. TWI Research Report, 1995
[14]W.A.Baeslack III and M.J.Cieslak, Effect of heat treatment on the structure ,properties and fracture of Nd:YAG laster weld Ti-14.8wt%-21.3 Nb,scripta.met.23:717~721(1989)
[15]Cieslak,M.J.,Headley,T.J.Baeslack,WlA.III,Phase.transformations in Ti-26Al-11 Nb titanium aluminide-applications to fusion welding, Met.Trans.,vol 21A,1990,pp1273~1283
[16]W.A.Baeslack III,T.Broderick.Effect of cooling rate on the structure and hardness of a Ti-26at%Al-10at%Nb-3at%V-1at%Mo titanium aluminide.Scripta Metallurgica.Vol.24,pp.319~324,1990
[17]吴爱萍,邹贵生，张红军. Ti-24Al-17Nb合金的激光焊接.宇航材料工艺. 2001，(6)：58~62
[18]Baeslack Ⅲ W. A.. Joining of α2 Titanium Aluminides. Proceedings Symposium Weldability of Materials, ASM Fall Meeting, Detroit, Sept 1990: 247~258
[19]W.A.Baeslack III,M.J.Cieslak.Effect of heat treatment on the structure,properties and fracture of Nd:YAG laser welded Ti-14.8wt%Al-21.3wt% Nb.Script .metallurgica.1989,Vol.23,pp.717~720
[20]David,S.AJ.A.Horton,and G.M. Goodwin,Weldability and micro-structure of a Ti-26Al-11Nb titanium-aluminide.Weld.J. 1990,69:133-140
[21]张文雪，王国庆，张益坤. Ti3Al基合金电子束焊焊接性研究.航天工艺. 1998，(1)：11~13
[22]W.A.Baeslack III.Characterization of the weld heat-affected zone in an alpha-two titanium aluminide.Mat. Characterization. 1992.28:61~73
[23]张文雪，王国庆，张益坤. Ti3Al基合金GTAW焊接性的试验研究.航天工艺. 1997,(4)：14~16
[24]W.A.Baeslack III，P.S.Liu.P.R.Smith, characterization of solid-state resistance welds in SiC-reinforced Orthorhombic-based Ti-22Al-23Nb (at%) titanium aluminide .Materials characterization. 1998,41 :41~51

作者简介：秦优琼，女，1978年12月出生，哈尔滨理工大学材料加工硕士研究生
联系电话：0451-6643102
Email:qyq_qyq_ivan@sina.com(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/1/2005)


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