TIAL基合金真空釬焊接頭組織性能分析

李龍慶 ，王 艷 ，宋曉國 ，劉國軍 ，盧 紅

（1.西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2.哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 前言

TiAl基合金被公認為是代替鈦合金和鎳基高溫合金的理想材料，應用前景廣闊，是一種非常有發展潛力的輕質高溫材料[1]；另外TiAl基合金具有密度低、彈性模量高、高溫力學性能好和抗氧化等特點，是一種剛剛興起而又很有發展前途的輕質結構材料，可望在航空、航天和軍工等領域獲得廣泛應用[2]。

TiAl基合金在工程上要想得到廣泛的應用，必然要涉及到焊接問題，包括其自身的焊接及與其他材料的焊接，關于TiAl基合金的焊接，國內外學者已展開了相關的研究工作，根據其焊接性表明，釬焊是實現TiAl基合金連接較為合適的一種方法；本研究對其TiAl基合金自身的焊接展開研究，采用Ti-Ni-V釬料作為中間層，利用真空釬焊技術對其進行連接。

1 試驗材料和方法

把 Ti-Ni-V(37.5%Ti，37.5Ni，25%V)合金加工為200 μm的薄片，TiAl合金加工成兩個不同的尺寸，分別是 5 mm×5 mm×2.5 mm 和 20 mm×10 mm×2.5 mm，釬料尺寸 5 mm×5 mm×0.2 mm，按照 TiAl/釬料/TiAl的順序裝配好，并放入型號為Centorr6-1650-15T真空熱壓爐中進行釬焊，在焊接過程中，真空度保持在1.3×10-3Pa，所選釬料和真空釬焊工藝參數如表1所示。焊后接頭微觀組織形態在型號為日立S-570掃描電鏡(SEM)上進行觀察，通過能譜儀(EDS)測定各反應相成分；利用萬能試驗機(英斯特朗拉力機1186)對其接頭進行剪切強度的測試；剪切試樣尺寸和裝配方式如圖1所示。

表1 真空釬焊工藝參數Tab.1 The process parameters of vacuum brazing

圖1 剪切試樣尺寸和裝配方式Fig.1 Shear specimens size and assemble mode

2 結果和分析

2.1 溫度對剪切強度的影響

由表2可知，接頭剪切強度隨著釬焊溫度的升高而逐漸增加，當釬焊溫度達到1220℃時，剪切強度則隨著溫度的增加而降低，所以在1220℃、10 min的工藝條件下能獲得良好的接頭，剪切強度達196 MPa。當溫度較低時，釬料未完全融化，與母材反應不充分，雖然可以實現連接，但是剪切強度不高，當溫度提高到1220℃，界面反應很充分，得到均勻的兩相組織和少量的精細結構，此種結構相對強度較高，但是由于溫度進一步提高使得脆性τ3-Al3NiTi2金屬間化合物的不斷析出，造成接頭剪切強度隨之下降，這種脆硬相對剪切強度的影響效果很明顯。

表2 不同釬焊溫度下接頭的剪切強度Tab.2 Shear strength of brazing joints at different temperature

2.2 接頭組織分析

圖2顯示了釬焊時間10 min、不同溫度下焊接接頭的掃描電鏡背散射電子圖像，隨著溫度增加，焊縫的組織形態和界面結構發生明顯的變化。在釬焊溫度1180℃和1200℃時，焊縫中間殘留未熔化的釬料，出現連續層，見圖2b；隨著溫度的增加釬料逐漸熔化，原子不斷擴散，不僅TiNiV釬料中的元素向TiAl合金中擴散，同樣TiAl合金中的元素也向中間焊縫擴散，由原來釬料厚度為200μm增加到焊縫區域厚度為400 μm，接頭反應強烈，連續層消失，見圖2c。結合EDS分析結果得知，圖2中標記的A、B、D、F、G區域均為B2相，主要由于在釬焊的過程中元素間的不斷擴散，使得固液界面上V元素含量增加，而V元素具有穩定TiAl合金β相的作用，同時隨著反應的進行它促進了層片組織(γ+α2)向B2的轉變，在冷卻的過程中，B2相逐漸形成并且穩定存在于組織中。除了B2相以外，組織中還有一個重要的相，與B2相和TiAl合金中的相有很大的區別，它的成分中Ni含量占有較大的比例，可以推斷在釬焊后又形成新相，根據P.Rogl的研究[3]，此相為τ3-Al3NiTi2。

圖2 不同釬焊溫度下釬焊接頭的背散射電子圖像BEI

表3 圖2標記區域成分分析(EDS)%Tab.3 Composition analysis in mark area with Fig.2(EDS)

從圖2c、2d、2e中可以清晰的看到釬焊接頭由三個區域組成，分別是釬縫中心區、致密網狀區和不連續析出區；同時也可看到在致密網狀區內B2相被τ3-Al3NiTi2金屬間化合物包圍，并且隨著溫度的升高τ3-Al3NiTi2相析出得越多，主要是由于在冷卻的過程中B2相直接從熔融的釬焊金屬中析出，而大量的Ni元素就會富集在剩余的熔融釬料上，接著在B2相的邊界上與Ti和Al進行反應形成τ3-Al3NiTi2相；進一步冷卻，Ni元素在B2相上的溶解度降低，使得τ3-Al3NiTi2相在B2相邊緣不斷析出沉淀。

3 結論

（1）利用真空釬焊技術和TiNiV釬料作為中間層可以實現對TiAl基合金的連接，并且在1220℃、10 min的工藝條件下接頭的剪切強度可以達到196 MPa。

（2）不同釬焊溫度下得到的焊接接頭界面形態是不同的，釬焊溫度低于1220℃時存在連續層，溫度達到和高于1200℃時連續層消失。

（3）雖然釬焊溫度對界面結構的影響很大，但是幾種釬焊溫度下釬焊接頭均得到相同的相，B2相和 τ3-Al3NiTi2相。

[1]Tetsui T，Ono S.Endurance and composition and microstructure effects on endurance of TiAl used in turbochargers[J].Intermetallics 1999（7）：689-97.

[2]陳 波，熊華平，毛 唯，等.TiAl基合金的釬焊研究[D].航空航天焊接國際論壇，2004.

[3]B.Huneau，P.Rogl，K.Zeng，et al.The ternary system Al-Ni-Ti Part I：Isothermal section at 900 ℃；Experimental investigated and thermodynamic calculation[J].Intermetallics，1999（7）：1337-45.