摘要 本文采用高频感应加热的方式，在Ar气保护条件下，采用Ag-Cu-Ti钎料实现了TiAl基合金与40Cr钢的钎焊连接；采用扫描电镜、电子探针、X射线衍射分析等手段对断口、界面、生成相进行了分析，并且测试了接头的抗拉强度。结果表明：在界面上有Ti(CuAl)2、含少量Cu、Ti、Al元素的富Ag相、TiC三种相生成；断裂位置及接头的抗拉强度随保温时间而变化；当钎焊连接温度为1143K，保温时间0.9ks时接头抗拉强度值最高，达到298MPa，断裂主要发生在Ti(CuAl)2与富Ag层之间。
关键词 TiAl 40Cr 感应钎焊
0引言
随着现代科学技术的突飞猛进，人们对材料的性能提出了越来越高的要求，新型材料不断出现。其中，TiAl基金属间化合物具有密度小（约为3.8g/cm3）、比强度高、刚性好、良好的高温力学性能和抗氧化性等优点，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]。目前发动机涡轮所用的高温合金主要为镍基合金，其密度较大（约为8g/cm3），这就造成发动机启动、中止响应慢，机动性差等缺点，为了提高发动机的效率可以采用TiAl基合金代替传统镍基高温合金以减少涡轮重量[2]，这就要求对TiAl涡轮与结构钢轴进行连接，目前国内外已有这方面的报道[3,4]，但技术上并不完善。因此，解决好TiAl与结构钢的连接将可填补国内的空白，具有深刻的现实意义和理论意义。本文采用Ag-Cu-Ti钎料对TiAl合金与40Cr钢进行了高频感应钎焊，分析了接头界面的显微组织及力学性能。
1实验过程
实验中所用的材料为TiAl和金与40Cr钢，化学成分分别为Ti-43Al-1.7Cr-1.7Nb(at%)、Fe-0.4C-1.0Cr-0.7Mn-0.3Si-0.2Ni(wt%)，所用钎料为Ag-47.3Cu-3.0Ti(at%)钎料，熔点为1088K。钎焊试验采用圆柱对接的接头形式。用电火花线切割将母材加工成规格为Φ7mm×20mm的拉伸试件及Φ10mm×4mm的金相试件，接头形式采用圆柱对接。为防止焊接过程中母材发生氧化，钎焊过程要在惰性气体保护下进行。为此设计并制造了惰性气体保护装置，气体保护装置的底座采用耐高温的高纯石墨，气体保护管采用透明的石英玻璃，高频加热时可以透过玻璃管观察钎焊的过程，工件上焊有测量钎焊温度的热电偶，如图1所示。焊前要将待焊表面在200#、400#、600#、800#、1000#砂纸上逐级磨光，再进行化学清理。按照图1所示装配试件、施焊，实验所选钎焊温度1143K，保温时间0.2、0.9、1.8、2.4ks。通过扫描电镜（SEM,S-570）、电子探针（EPMA,JXA-8600）、X射线衍射分析仪（XRD,JDX-3530M）对试件接头界面进行了分析，在电子拉伸机上（Instron-1186）测试了接头的抗拉强度。
图1 气体保护装置图
2试验结果与讨论
2.1界面组织及生成相
固定连接温度1143K，变化保温时间0.2ks、0.9ks、1.8ks得到的试件分别命名为1#、2#、3#。图2、图3、图4分别为1#、2#、3#试件的界面组织背散射照片及元素线扫描照片。从图中可以看出，保温时间增加，接头界面组织结构呈规律性的变化，结合各温度下的元素线扫描照片以及界面上各种元素的能谱分析结果，可以发现除Fe元素以外，Ti、Al、Cu、Ag几种元素均发生了较大程度的扩散。
a) 界面组织 b) 元素扫描
图2 1#试件界面组织照片及元素扫描照片
a) 界面组织 b) 元素扫描
图3 2#试件界面组织照片及元素扫描照片
a) 界面组织 b) 元素扫描
图4 3#试件界面组织照片及元素扫描照片
由图2a)可见，1#试件界面可以分为4层，分别命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四层。从形貌上来说，Ⅰ层为靠近TiAl母材很窄的并且向钎料中有锯齿状生长凸起的灰色条状层; Ⅱ层为弥散、灰白相间的小点儿所构成的带状层区，并且白色区域所占的面积较大；Ⅲ层为不规则、大小不一的黑色小块构成的，并且有少量的黑白相间的花纹；Ⅳ层有弥散均匀分布的黑白相间小点儿，其中分布有大块的白色小岛。
当保温时间增加到0.9ks，如图3a)所示，前面所述的、图2a)中可以明显观察到的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三层复合在一起，其界限很难分清，命名为第Ⅴ层。复合后的新层从TiAl母材向钎缝中呈棒状垂直生长，其中有两个黑色小条A、B突出穿过Ⅳ层。在靠近40Cr母材一侧的边界处出现了一些断断续续的黑色小点儿命名为第Ⅵ层。对应于这些小点儿的元素扫描线上Ti出现了一个明显的波峰，表明Ti元素在这里偏聚。
当保温时间继续增加到1.8ks，如图4a)所示，从TiAl母材向钎缝中呈棒状垂直生长的新层Ⅴ继续长大；靠近40Cr的边界出现了两个明显的反应层Ⅶ、Ⅷ。
为了更清楚地了解界面的元素分布及可能的生成相，进行了能谱分析，其结果列于表1中。表1 界面能谱分析结果
 从成分上来看，1#试件的Ⅰ层主要含Ti、Al两种元素和少量的Cu、Ag元素，并且Ti、Al的原子数量比为3∶1，经分析主要的相为AlTi3；Ⅱ层白色区域主要的元素为Ag，并且含有少量的Cu、Ti、Al，说明该白色区域为富Ag相；Ⅲ层中的黑块含Cu 量最高，并有一定量Ti、Al推测为富Cu相；Ⅳ层主要构成元素为Ag、Cu，其中的花纹为Ag-Cu共晶花纹，白色大块含Ag量很高。值得注意的是在元素扫描照片图2b)中，Ti元素扫描线在靠近40Cr的边界出现一个峰值，而对应第Ⅳ层的Ti的扫描线比较平滑，这说明可能钎料中所含的少量的Ti与40Cr中的某些元素结合生成了新的物质。对于2#试件，靠近TiAl一侧的第V层中的黑色区域主要构成元素为Ti、Al、Cu，结合相图，推测该黑色区域为金属间化合物Ti(CuAl)2；靠近40Cr的边界处断续的黑点含Ti量较高，这一点与3#试件第Ⅶ层的类似，经分析为TiC。横穿第Ⅳ层的黑色小条A主要含Al、Cu两种元素，结合Al-Cu相图，推测为AlCu3，这一推测在断口的X射线衍射分析结果中得到了证实。3#试件中靠近40Cr侧出现的新层中主要含Ti、Al、Cu三种元素该区较为复杂，推测为Ti、Al、Cu两种或三种元素之间形成的金属间化合物。图5为2#试件断口X射线衍射分析结果。
图5 2#试件断口的X射线衍射分析结果
2.2力学性能分析
图6为固定钎焊温度1143K，抗拉强度随保温时间变化规律图。当保温时间为0.9ks时，抗拉强度值达到最大为298MPa。
图6 抗拉强度随保温时间变化的规律
结合断口形貌照片图7，分析反应生成相对接头抗拉强度的影响。图(a)为保温0.2ks时的断口形貌，从图中可以看出断裂发生在两个区域，分别命名为A、B两区。图(b)为保温0.9ks时的断口形貌照片，可以看出断口整体上较为均匀，断裂主要发生在同一类型的区域，命名为C。为了确定断裂发生的具体位置而进行了能谱分析，能谱分析结果见于表2。
图7 固定连接温度1143K不同连接时间的断口照片:(a) 0.2ks ; (b) 0.9ks
表2 断口能谱分析结果
 接头的抗拉强度在很大程度上取决于其微观组织，即取决于在钎焊过程中生成相的种类数量及其生长分布的形态。对于40Cr/TiAl的高频感应钎焊接头的抗拉强度来说，Ti、Al、Cu三者之间形成的Ti(CuAl)2相、TiC相起着决定性的作用。1#试件保温0.2ks，保温时间较短TiC相还没来得及形成，而Ti(CuAl)2相生成的量较多，断裂发生两个区域（见图7）：一是在Ti(CuAl)2相内部；二是在40Cr母材与钎料结合的薄弱环节。当保温时间增加，Ti(CuAl)2相的数量及层厚度增加，本应强度降低，但是由于在40Cr一侧界面上生出了弥散断续分布的TiC相（见图3），起到了增强相的作用，强度反而增加（见图6）。对于3#试件，当保温时间更进一步增长到1.8ks时，强度大大降低（见图6）。这有两个原因：一是Ti(CuAl)2相持续增厚，并呈现出垂直生长的趋势；二是40Cr侧的TiC连成一层（见图4）成了薄弱环节。
3．结论
本文用活性Ag-Cu钎料对TiAl/40Cr进行了高频感应钎焊，钎焊温度1143K、保温时间0.2ks、0.9ks、1.8ks、2.4ks，实验取得了良好的效果。结果表明：
(1)界面主要的生成相为Ti(CuAl)2、含有少量Ti、Al、Cu的富Ag相、TiC，但是TiC相在保温时间较短时（0.2ks）并未出现，随着保温时间的增加，Ti(CuAl)2相持续生长，TiC相出现并生长。当保温时间为0.9ks时界面结构可叙述为TiAl/Ti(CuAl)2+少量富Ag相/含Cu、Ti、Al的富Ag相层/40Cr。
(2)接头的抗拉强度及断裂位置随保温时间的增加而变化。当保温0.9ks时，接头抗拉强度达到最大值298MPa，断裂主要发生在Ti(CuAl)2与富Ag相层之间。当保温时间继续增加超过1.8ks时，断裂强度明显下降。
参考文献
[1] T.Noda, T.Shimizu, M.Okabe et al. Joining of TiAl and steels by induction brazing[J]. Materials Science and Engineering, 1997, A239-240:613~618
[2] Toshimitsu Tetsui. Development of a TiAl turbocharger for passenger vehicles[J]. Materials Science and Engineering, 2002, A329-331:582~588
[3] T.Noda. Application of cast gamma TiAl for automobiles[J]. Intermetallics, 1998, 6(7-8): 709~713
[4] 冯吉才，李卓然，何鹏，等. TiAl/40Cr扩散连接接头的界面结构及相成长[J]. 中国有色金属学报, 2003, 13(1):162~166
作者简介：李玉龙，男，1978年出生，哈尔滨工业大学博士
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