TC4鈦合金和YG8硬質(zhì)合金的釬焊工藝

陳小勇，李 強(qiáng)，劉海漢，杜 娜

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安710077）

TC4鈦合金和YG8硬質(zhì)合金的釬焊工藝

陳小勇，李 強(qiáng)，劉海漢，杜 娜

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安710077）

針對(duì)鈦合金和YG8型硬質(zhì)合金異種材料的真空釬焊工藝和接頭可靠性問(wèn)題展開(kāi)研究，采用潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)、金相顯微鏡、顯微硬度計(jì)、萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)、掃描電子顯微鏡等實(shí)驗(yàn)及測(cè)試手段，對(duì)Ag94AlMn釬焊試樣接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)、維氏硬度、接頭剪切強(qiáng)度等進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，銀基釬料與鈦合金、硬質(zhì)合金界面冶金結(jié)合良好，焊縫表面組織均勻，無(wú)微裂紋。釬縫組織為Ag基固溶體，硬質(zhì)合金母材Co、W元素和鈦合金母材Ti、V元素向釬縫內(nèi)擴(kuò)散甚少，幾乎不發(fā)生母材溶蝕；TC4與YG8真空釬焊異種金屬真空釬焊，選擇銀基釬料以及釬焊溫度920℃、保溫時(shí)間10 min的工藝參數(shù)，接頭剪切強(qiáng)度最高。

鈦合金與硬質(zhì)合金；真空釬焊；銀基釬料；工藝參數(shù)

0 前言

鈦合金的機(jī)械性能、焊接性能和耐蝕性能優(yōu)異，使得鈦和鈦合金在航空航天和化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛[1]。硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨、耐腐蝕以及較穩(wěn)定的化學(xué)性能等，也廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。隨著高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，一些發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件采用殼體鈦合金與局部接觸面硬質(zhì)合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而滿足了新一代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料的需求以及連接部位高硬度、高耐磨性、輕量化、耐高溫的性能要求。因此硬質(zhì)合金和鈦合金的焊接水平[2]成為影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。在此研究TC4鈦合金與YG8硬質(zhì)合金的真空釬焊技術(shù)，以期為鈦合金與硬質(zhì)合金異種金屬連接方法提供參考。

1 試驗(yàn)條件和方法

1.1 試驗(yàn)件制備

試驗(yàn)用材料為鈦合金TC4和硬質(zhì)合金YG8。鈦合金TC4化學(xué)成分見(jiàn)表1。硬質(zhì)合金YG8化學(xué)成分見(jiàn)表2。硬質(zhì)合金的釬焊性較差[3]，這是因?yàn)橛操|(zhì)合金的含碳量較高，未經(jīng)清理的表面往往含有較多的游離碳，妨礙了釬料的潤(rùn)濕。采用W3.5的研磨膏均勻涂抹在鑄鐵塊上，將硬質(zhì)合金置于鑄鐵塊表面研磨。鑄鐵中石墨形成孔洞，可使研磨膏吸附在鑄鐵塊表面，清除硬質(zhì)合金表面的氧化物。需注意的是，硬質(zhì)合金由于加工過(guò)程中的缺陷，經(jīng)常有孔洞產(chǎn)生，不能將其作釬焊面[4]。

表1 TC4合金化學(xué)成分 %

表2 YG8硬質(zhì)合金母材化學(xué)成分 %

1.2 釬料選擇

選擇合適的釬料是保證獲得優(yōu)質(zhì)釬焊接頭的關(guān)鍵因素之一，應(yīng)綜合考慮釬料和母材的物性匹配、釬焊件的使用工況要求、現(xiàn)有設(shè)備條件以及經(jīng)濟(jì)因素等方面。

就鈦合金而言，可選擇的釬料[1]有銀基釬料、Ti基釬料和Al基釬料等，而對(duì)于硬質(zhì)合金可選擇釬料有Ag基、Cu基、Mn基等。Ti基釬料和Al基釬料均不適合硬質(zhì)合金的釬焊，Mn基釬料不適合鈦合金釬焊，從經(jīng)濟(jì)效益、成本控制方面綜合考慮，在公司現(xiàn)有釬料中初步選擇銀基釬料進(jìn)行TC4與YG8異種金屬的真空釬焊試驗(yàn)。將片狀釬料Ag94AlMn剪成5 mm×13 mm尺寸，用W40砂紙去除表面氧化物，釬料化學(xué)成分和釬焊溫度如表3所示。

表3 Ag94AlMn釬料化學(xué)成分和釬焊溫度

Ag94AlMn釬焊溫度850℃～950℃，每20℃一個(gè)間隔，共6個(gè)溫度點(diǎn)。由于硬質(zhì)合金在釬焊后不能快速冷卻，故采用隨爐冷卻，而隨爐冷卻由設(shè)備本身冷卻系統(tǒng)決定其冷卻速率，因此確定焊接工藝參數(shù)時(shí)不選擇該參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）潤(rùn)濕試驗(yàn)。試驗(yàn)采用測(cè)潤(rùn)濕角法，即將定量釬料放在母材上，采取相應(yīng)的去膜措施，在規(guī)定溫度下保持一定時(shí)間后隨爐冷卻，測(cè)出釬料的潤(rùn)濕角θ，θ角越小，潤(rùn)濕性越好。釬料鋪展性試驗(yàn)的試樣為板狀，其尺寸和放置位置如圖1所示。Ag94AlMn質(zhì)量0.15g，允許偏差±0.1%，置于中間。

圖1 鋪展試驗(yàn)用試驗(yàn)件示意

（2）環(huán)狀接頭模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)件實(shí)物外觀如圖2所示。試驗(yàn)件主體為TC4合金，表面凹槽內(nèi)嵌入YG8硬質(zhì)合金片，以增強(qiáng)鈦合金基體接觸面的耐磨性能，提高鈦合金基體滑動(dòng)接觸面的服役周期。設(shè)計(jì)圖樣及加工尺寸如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)件實(shí)物照片

圖3 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)圖樣及加工尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 潤(rùn)濕試驗(yàn)

釬料和母材的成分對(duì)潤(rùn)濕性能有決定性的主導(dǎo)作用，它們之間存在以下規(guī)律：如果釬料與母材在液態(tài)和固態(tài)均不相互作用，則二者之間的潤(rùn)濕性很差；若釬料與母材相互溶解形成化合物，則液態(tài)釬料能較好地潤(rùn)濕母材[5]。潤(rùn)濕性試驗(yàn)如表4所示。對(duì)于硬質(zhì)合金母材，Ag94AlMn釬料潤(rùn)濕角最小為5°，最大為11°；對(duì)于鈦合金TC4，Ag94AlMn釬料潤(rùn)濕角最小為3°，最大為6°。銀基釬料提高了硬質(zhì)合金和TC4的潤(rùn)濕性，且銀基釬料對(duì)TC4的潤(rùn)濕性好于硬質(zhì)合金。

表4 不同溫度下Ag94AlMn釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕角

2.2 Ag94AlMn釬焊接頭成分及組織

釬焊接頭處的線掃描能譜圖如圖4所示，采用Ag94MnAl釬料釬焊硬質(zhì)合金和TC4合金，釬料內(nèi)并沒(méi)有如前兩類釬料的性質(zhì)改變的現(xiàn)象，釬縫內(nèi)還是Ag基組織。雖然AgTi可形成金屬間化合物，但是在950℃焊接溫度下，各化學(xué)計(jì)量比的Ag-Ti金屬間化合物均為固態(tài)，如圖5所示。由此可預(yù)見(jiàn)釬焊開(kāi)始時(shí)，TC4合金表面處會(huì)形成一層Ag-Ti金屬間化合物，這層金屬間化合物層的存在增大了液態(tài)釬料中Ag繼續(xù)向TC4合金母材內(nèi)擴(kuò)散的阻力，不利于界面處成分均勻化，從圖6可觀察到明顯的釬焊界面層。

分析Ag-Co相圖（見(jiàn)圖7）可知，Ag與Co既不互溶也不形成金屬間化合物，因此Ag基釬料對(duì)硬質(zhì)合金基體的侵蝕性較弱。此外，Ag、Mn、Al對(duì)C的化學(xué)勢(shì)均較低，不易造成硬質(zhì)合金與釬料界面處WC脫碳形成脆性相，若僅僅從釬料的硬脆性和釬料對(duì)母材的溶蝕角度來(lái)考慮，Ag基釬料非常適合硬質(zhì)合金與TC4合金的釬焊。此外，Ag基釬料的彈性模量和硬度均較低，塑性較好，能很好地緩釋母材直接的熱應(yīng)力，在圖6a中并未發(fā)現(xiàn)施焊后即出現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)裂的現(xiàn)象。綜合考慮，采用Ag基釬料釬焊硬質(zhì)合金與TC4合金會(huì)獲得良好效果。

2.3 硬度值測(cè)試

圖4 用Ag94MnAl釬料進(jìn)行釬焊獲得接頭的線掃描結(jié)果

圖5 Ag-Ti相圖

銀基釬料接頭硬度分布如圖8所示，從圖中可以看出釬料/硬質(zhì)合金界面硬度陡升明顯，鈦合金/釬縫界面硬度也有差異，釬料區(qū)域硬度最小。焊縫/硬質(zhì)合金區(qū)域硬度高是鈷和鎢的少量擴(kuò)散造成，釬縫區(qū)域硬度小是因?yàn)殁F縫成分含有合金元素。

2.4 接頭剪切強(qiáng)度

在CMT-5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定接頭的室溫剪切強(qiáng)度，加載速度0.5 mm/min，采用銀基釬料在不同溫度和保溫時(shí)間下釬焊TC4及YG8硬質(zhì)合金，釬焊接頭強(qiáng)度如表5所示。

圖6 銀基釬料接頭金相組織

圖7 Ag-Co相圖

由表5可知，銀基釬料在釬焊溫度920℃、保溫時(shí)間10 min的工藝參數(shù)下剪切強(qiáng)度最高。溫度太高或太低都不利于提高接頭強(qiáng)度。釬焊溫度從兩個(gè)方面影響接頭性能：一是潤(rùn)濕方面，二是元素?cái)U(kuò)散方面。從潤(rùn)濕方面來(lái)看，920℃下釬焊，釬料流動(dòng)性和潤(rùn)濕性（見(jiàn)表4）較好，釬縫易被充分填充；若溫度過(guò)低，則釬料潤(rùn)濕性不佳易產(chǎn)生孔洞等缺陷，導(dǎo)致接頭性能下降。潤(rùn)濕性是形成優(yōu)質(zhì)接頭的第一步，比潤(rùn)濕性更重要的是釬料與母材的冶金結(jié)合程度，這取決于元素?cái)U(kuò)散。

圖8 銀基釬料接頭硬度分布

表5 不同溫度、保溫時(shí)間參數(shù)接頭剪切強(qiáng)度

3 結(jié)論

從釬縫組織、接頭強(qiáng)度、接頭應(yīng)力水平等角度系統(tǒng)評(píng)價(jià)釬料，采用理論、試驗(yàn)相結(jié)合的方法優(yōu)選出適合TC4合金與YG8硬質(zhì)合金釬焊的最佳釬料體系，并成功實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金和YG8硬質(zhì)合金的的可靠連接并應(yīng)用實(shí)際。

（1）當(dāng)銀基釬料在釬焊溫度920℃、保溫時(shí)間10 min時(shí)，剪切強(qiáng)度最高，并且釬料流動(dòng)性較佳。

（2）釬料與鈦合金、硬質(zhì)合金界面冶金結(jié)合良好，焊縫表面組織均勻，無(wú)微裂紋。釬縫形成以Mn、Al元素為主要固然元素的Ag基固溶體。

（3）硬質(zhì)合金母材Co、W元素和鈦合金母材Ti、V元素各分布其側(cè)，向釬縫擴(kuò)散甚少，Ag元素在釬縫均勻分布。

[1] 常輝，羅國(guó)珍.鈦合金用釬焊材料的發(fā)展評(píng)述[J].稀有金屬材料與工程，1995，24（1）：15-20.

[2]吳欣，康慧，朱穎，等.TC4鈦合金真空釬焊的研究[J].航空制造技術(shù)，2004（9）：67-69.

[3]周振豐.焊接冶金學(xué)：金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[4]陸楊，王海龍.40Cr鋼與YG8硬質(zhì)合金的真空釬焊工藝研究（基于CuMnNi釬料）[D].江蘇：江蘇科技大學(xué)，2007.

[5]常松，郝兆星.陶瓷和金屬的釬焊[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997（4）：410-414.

Brazing technology of TC4 titanium alloy and YG8 cemented carbide

CHEN Xiaoyong，LI Qiang，LIU Haihan，DU Na
（AECC Xi'an Engine Control Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710077，China）

Carries out studies aiming at vacuum brazing technology and joint reliability problems of titanium alloy and YG8 hard alloy dissimilar materials，the microstructures，Vickers hardness and joint shear strength of Ag94AlMn brazing joint are tested and analyzed by wetting experiment，metallographic microscope，microhardness tester，tensile testing machine，scanning electron microscope experiment and test method.The test results show that the silver based solder are well bonded with titanium alloy and cemented carbide，the surface of weld is uniform and no micro cracks.The brazing structure is Ag-based solid solution，the cemented carbide base material Co，the W element and the Titanium alloy base material Ti，V elements diffuse little in the brazing seam，almost no base material dissolution；TC4 and YG8 vacuum brazing of dissimilar metal vacuum brazing，choose silver based solder and brazing temperature of 920℃，holding time of 10 min，the maximum shear strength of the joint.

Titanium alloy and hard alloy；vacuum brazing；silver solder；process parameters

TG454

B

1001－2303（2017）03－0093-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.18

獻(xiàn)

陳小勇，李強(qiáng)，劉海漢，等.TC4鈦合金和YG8硬質(zhì)合金的釬焊工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：93-97.

2016-09-10；

2017-03-03

陳小勇（1977—），男，陜西蒲城人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事焊接工藝和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理工作。