TiAl合金與高溫合金的擴散焊接頭組織及性能

周 媛，熊華平，毛 唯，陳 波，葉 雷

（北京航空材料研究院 焊接及鍛壓工藝研究室，北京100095）

TiAl合金與高溫合金的擴散焊接頭組織及性能

周 媛，熊華平，毛 唯，陳 波，葉 雷

（北京航空材料研究院 焊接及鍛壓工藝研究室，北京100095）

采用直接擴散焊和加中間層的擴散焊方法進行了TiAl合金和高溫合金異種材料組合的連接實驗。在1000℃／20MPa／1h規范下直接擴散焊獲得的TiAl／GH2036接頭組織中存在大量未焊合的孔洞，接頭室溫剪切強度平均值僅有16MPa。采用Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層在935℃加壓3MPa保溫10min和1h進行了TiAl／GH3536組合接頭的液相擴散焊，獲得的擴散焊縫中含有Ti3Al，NiTi等多種物相，中間層合金與兩側母材發生作用形成了具有一定厚度的反應層。在935℃／3MPa／1h規范下獲得了與兩側母材結合良好的無缺陷擴散焊接頭，室溫剪切強度達到125MPa。

TiAl合金；高溫合金；擴散焊；Ti－Zr－Cu－Ni合金

TiAl金屬間化合物合金具有密度低、比強度高等優點，是極具應用前景的新型輕質耐高溫結構材料［1，2］。TiAl合金替代高溫合金應用于航空、航天及車用發動機可以通過結構減重提高發動機工作效率［3，4］，已經獲得應用或正在進行研究的 TiAl基合金部件有航空發動機葉片、航天用整體葉盤、車用增壓器渦輪等［5］。在TiAl合金的工程應用中，常常需要將其與異種材料連接起來，以充分發揮各自的優良性能。擴散焊是實現TiAl合金與異種材料連接的有效方法之一。較多的擴散焊技術研究工作圍繞TiAl合金與鋼、鈦合金及陶瓷這些異種材料組合開展［6－8］，而對更能發揮高溫性能優勢、有潛在應用前景的TiAl／高溫合金組合接頭的擴散焊技術研究相對較少。

本工作采用直接固相擴散焊和加入中間層合金擴散焊的兩種方法進行了TiAl合金與高溫合金異種材料組合連接實驗。由于TiAl合金與高溫合金的熱強性高，變形困難，實現直接擴散焊需要的溫度高、時間長，TiAl和GH2036異種材料組合的直接固相擴散焊實驗采用1000℃／20MPa／1h規范進行。加入中間層合金進行TiAl合金與高溫合金擴散焊，可以降低擴散焊溫度和壓力。選擇TiAl合金釬焊時使用較多并且取得性能較好的Ti基釬料Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層進行TiAl和GH3536異種材料組合的液相擴散焊實驗［9］，采用的擴散焊規范是935℃，加壓3MPa，保溫10min和1h。

1 實驗材料及方法

實驗用母材為北京航空材料研究院研制的TiAl合金和商用GH2036，GH3536高溫合金［10］。TiAl合金名 義 成 分 為 Ti－46Al－6（Cr，Nb，Si，B）（原 子 分數／%），經線切割制成面積為2mm×10mm、厚2mm試片。GH2036和GH3536高溫合金化學成分分別列于表1和表2中，使用形式為10mm×20mm、厚2mm試板。GH2036合金可在600～650℃長期工作，GH3536合金適用于制造900℃以下長期使用的高溫部件［10］。TiAl，GH2036和 GH3536合金試樣表面經磨床磨光后置于丙酮中進行超聲清洗。

表1 GH2036高溫合金化學成分（質量分數／%）Table 1 Chemical composition of GH2036superalloy（mass fraction／%）

表2 GH3536高溫合金化學成分（質量分數／%）Table 2 Chemical composition of GH3536superalloy（mass fraction／%）

Ti－Zr－Cu－Ni中間層合金［11］名義成分為 Ti－13Zr－21Cu－9Ni（質量分數／%），其制備方法：按成分比例混合后在氬氣保護條件下采用電弧熔煉設備制成合金錠，之后將合金錠置于石英管中，再通過單輥急冷設備在真空－氬氣條件下制成厚度約50μm的急冷態箔帶。擴散焊時，Ti－Zr－Cu－Ni箔帶夾于 TiAl和 GH3536兩種合金母材待焊面之間。

擴散焊實驗在L1215Ⅱ－1／ZM型真空爐中進行，焊接時熱態真空度不低于1.0×10－2Pa，升溫速率為10℃／min。TiAl／GH2036直接固相擴散焊采用的規范為1000℃／20MPa／1h。以Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層的液相擴散焊實驗，采用935℃下加壓3MPa分別保溫10min和1h兩種規范進行。

通過掃描電鏡（SEM）觀察 TiAl／GH2036、TiAl／GH3536兩種擴散焊接頭的微觀組織；采用INCA能譜儀（EDS）分析接頭中的微區成分；室溫下測試了接頭的剪切強度；并對剪切試樣斷口表面進行了X射線衍射（XRD）物相分析。

2 結果與討論

2.1 TiAl／GH2036直接擴散焊的接頭組織及性能

擴散焊溫度為1000℃，加壓20MPa保溫1h獲得的TiAl／GH2036的擴散焊接頭組織如圖1所示，接頭中各區域的能譜分析結果列于表3中。從圖1中可以看出，雖然TiAl和GH2036兩種母材結合在一起，但是在界面處仍然還存在未焊合的孔洞。焊縫旁的GH2036中存在較多的孔洞，而TiAl母材一側的孔洞較少。界面處的GH2036母材中出現了一些淺灰色塊狀相（圖1中的“1”區），能譜分析結果顯示該區域成分接近GH2036母材，只是還含少量Ti和Al，可能是擴散焊過程中少量TiAl母材中的Ti和Al原子擴散進入GH2036母材中形成的。而在TiAl母材一側形成了“雙條帶”的反應層，總寬度約為5μm。在緊鄰GH2036界面的深黑色窄帶（圖1中的“2”區）中能譜分析發現富集C原子，而且Ti和C原子比例接近1∶1，推測可能主要是GH2036中的C元素與TiAl中的活性元素Ti發生反應生成的TiC相。而在稍寬的灰色條帶（圖1中的“3”區）中含有從GH2036中擴散過來的Fe、Ni原子，特別是Fe原子含量較高，Fe、Ni原子溶入TiAl母材后形成了新的物相，顯現出不同的襯度。

圖1 1000℃／20MPa／1h擴散焊的TiAl／GH2036接頭組織Fig.1 Microstructure of TiAl／GH2036joint diffusion bonding at 1000℃／20MPa／1h

對 TiAl／GH2036 在 1000℃／20MPa／1h 規 范 下直接擴散焊獲得的接頭進行了室溫剪切強度測試。測得結果分別為12，17，20MPa，平均值僅為16MPa。焊縫中存在大量未焊合的孔洞，TiAl和GH2036界面結合較差，從而導致接頭性能低。由此可見，在1000℃擴散焊，加壓20MPa保溫1h的高強規范下，不能獲得具有良好性能的TiAl／高溫合金異種材料組合接頭，有必要加入中間層改善TiAl和高溫合金的界面結合情況，同時還可以降低擴散焊溫度和壓力。

表3 圖1中各微區成分能譜分析結果（原子分數／%）Table 3 The composition of various microzones in fig.1analyzed by EDS（atom fraction／%）

2.2 TiAl／GH3536液相擴散焊的接頭組織及性能

采用Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層，在935℃下加壓3MPa進行TiAl／GH3536異種材料的液相擴散焊，保溫時間為10min和1h兩種規范，獲得的接頭組織如圖2所示，焊縫中各微區的能譜分析結果列于表4中。從圖2中可以看出，通過加壓擠出部分熔化的中間層合金后最終形成的焊縫寬度僅有20μm左右，比之前Ti－Zr－Cu－Ni合金箔帶的厚度減少了60%。中間層合金與兩側母材TiAl和GH3536發生了界面反應，均形成了一定厚度的反應層（如圖2中Ⅰ，Ⅱ區所示）。保溫10min，TiAl和GH3536兩側反應層厚度分別為5μm 和3μm；保溫時間延長至1h，Ti－Zr－Cu－Ni中間層合金與兩側母材之間的反應程度加劇，兩側界面形成的反應層明顯增厚，分別達14μm和6μm。

圖2 935℃／3MPa／10min（a）和935℃／3MPa／1h（b）規范下擴散焊的TiAl／GH3536接頭組織Fig.2 Microstructure of TiAl／GH3536joints diffusion bonding at the conditions of 935℃／3MPa／10min（a）and 935℃／3MPa／1h（b）

表4 圖2中各微區成分能譜分析結果（原子分數／%）Table 4 The composition of various microzones in fig.2analyzed by EDS（atom fraction／%）

從圖2中還可以看出，935℃分別保溫10min和1h獲得的焊縫組織完全不同。保溫10min獲得的焊縫中存在多種物相，而且在焊縫中央還有貫穿性的裂紋存在（圖2（a）中箭頭）。保溫時間延長至1h后，中間層合金元素向兩側母材充分擴散，焊縫中形成的物相有所減少。從表4中列出的結果可以看出，保溫10min獲得的焊縫中主要有三類物相：一類是由于TiAl側母材中的Al原子向中間層合金基體中擴散形成的（圖2中“1”區），一類是由于GH3536母材中的Ni原子向中間層合金基體中擴散形成的（圖2中“2”區），第三類則是未充分擴散的中間層合金殘留相（圖2中“4”，“5”區），其中還溶入了部分從TiAl母材中擴散過來的Al原子。在剪切試樣斷口表面的X射線衍射圖譜中分析出焊縫中含有 Ti（Ni0.5Cu0.5）相（圖3（a））。推斷焊縫中的“3”區應為中間層 Ti－Zr－Cu－Ni合金的Cu原子占據部分NiTi晶格點陣中的Ni原子位置所形成的 Ti（Ni0.5Cu0.5）相。在斷口表面 XRD圖譜中還檢測到了Ti3Al相和NiTi2相，說明兩側母材中的Al和Ni原子向中間層合金擴散后，已經有少量的Ti3Al相、NiTi相和NiTi2相在靠近界面的焊縫中生成。

保溫時間延長至1h，中間層 Ti－Zr－Cu－Ni合金中的各元素向兩側母材充分擴散，同時從TiAl母材中擴散進入焊縫中的Al原子含量和從GH3536母材中擴散進入焊縫中的Ni原子含量都明顯提高，與Ti－Zr－Cu－Ni合金中的Ti原子發生反應生成大量的Ti3Al相和 NiTi相（圖2中的“7”和“9”區）。Ti－Zr－Cu－Ni合金中的Cu，Zr原子則富集在“6”，“8”區，與其他元素形成新的物相。從剪切試樣斷口表面X射線衍射圖譜（圖3（b））可知，Al5Ni2Zr相和 Ti（Cu，Al）2相可能就分布在這些區域。

圖3 TiAl／GH3536擴散焊接頭剪切斷口表面XRD圖譜 （a）935℃／3MPa／10min；（b）935℃／3MPa／1hFig.3 XRD patterns of the shear fracture for the TiAl／GH3536joints diffusion bonding at the condition of 935℃／3MPa／10min（a）and 935℃／3MPa／1h（b）

在935℃／3MPa／10min規范下獲得的擴散焊縫中存在貫穿性的裂紋，導致接頭性能較差未能獲得強度數據。而935℃／3MPa／1h規范的 TiAl／GH3536接頭室溫剪切強度則達到125MPa，對比1000℃／20MPa／1h規范下直接擴散焊的TiAl／GH2036接頭強度大幅度提高。

從上述兩種擴散焊方法的實驗結果可以看出，加入中間層進行TiAl和高溫合金異種材料組合的擴散焊，相比兩種材料直接進行擴散連接，界面的結合情況得以改善，既提高了接頭的強度，同時也使擴散焊溫度和壓力有所降低，是一種有效的TiAl和高溫合金異種材料連接方法。這與TiAl／鋼異種材料擴散連接情況相似，在TiAl與40Cr鋼的真空擴散連接中，由于脆性TiC的生成使得接頭性能不佳，為阻止脆性層的形成加入了多種純金屬作為中間層，從而提高了接頭強度［12］。而在本工作中采用的是TiAl合金釬焊料作為擴散焊時的中間層，在擴散焊溫度下中間層合金熔化，施加壓力能進一步減少中間層用量，有利于減少對接頭性能不利的脆性相，采用合金化的中間層也比純金屬中間層更有利于獲得高強接頭。

3 結論

（1）在1000℃／20MPa／1h 規范下進行了 TiAl／GH2036異種材料的直接擴散焊，焊縫中存在大量未焊合的孔洞，接頭室溫剪切強度平均值僅有16MPa。TiAl和高溫合金異種材料組合連接不宜采用直接擴散焊的方法進行。

（2）采用Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層，在935℃／3MPa／10min規范下進行了TiAl／GH3536異種材料組合的液相擴散焊接。焊縫中存在Ti3Al，NiTi，Ni－Ti2等多種物相，還出現了貫穿性的裂紋。

（3）以 Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層，在935℃／3MPa／1h規范下獲得了與TiAl和GH3536母材結合良好的無缺陷接頭，室溫剪切強度達到125MPa。焊縫中有Al5Ni2Zr相和Ti（Cu，Al）2相生成。

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Microstructures and Property of Diffusion Bonded Joints Between TiAl Alloy and Two Kinds of Superalloys

ZHOU Yuan，XIONG Hua－ping，MAO Wei，CHEN Bo，YE Lei
（Laboratory of Welding and Forging，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

Joining TiAl alloy and superalloy was carried out by diffusion bonding with and without interlayer.There existed many holes in the TiAl／GH2036joint under the diffusion bonding condition of 1000℃／20MPa／1h，and the average shear strength of joint at room temperature was only 16MPa.Using Ti－Zr－Cu－Ni alloy as the interlayer，liquid－phase diffusion bonding between TiAl and GH3536 was investigated at 935℃holding 10min and 1hunder the pressure of 3MPa.The joints diffusion boned under the two conditions were composed by multiple phases，such as Ti3Al and NiTi.As a result of the reaction between the interlayer and two base metals，two reaction layers with a certain thickness appeared in the both interface respectively.Sound joint was obtained under the diffusion bonding condition of 935℃／3MPa／1h，and the interlayer alloy exhibited strong cohesion with TiAl and GH3536.The corresponding shear strength of joint reached 125MPa.

TiAl alloy；superalloy；diffusion bonding；Ti－Zr－Cu－Ni alloy

TG454

A

1001－4381（2012）08－0088－04

2011－12－05；

2012－04－14

周媛（1981－），女，碩士，工程師，主要從事航空新材料的釬焊擴散焊研究及航空新型焊接材料研制等，聯系地址：北京市81信箱20分箱（100095），E－mail：jeanzhouyuan＠yahoo.com.cn