鈦合金和異種金屬的焊接研究現(xiàn)狀

朱運鋒+胡裕龍

摘 要： 綜述了鈦合金和鋁合金、鋼、銅、鎂合金等異種金屬的焊接研究現(xiàn)狀，闡述了鈦合金和異種金屬焊接存在的問題、研究的方向和研究的進展，并指出防止生成脆性的金屬間化合物是獲得良好接頭的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞： 鈦合金；異種金屬；焊接

異種金屬焊接是指將兩種不同種類和性能的金屬材料通過特定的焊接工藝連接在一起并形成具有完整性和預(yù)期使用性能的結(jié)構(gòu)件[1]。由于異種金屬連接的特殊性，常用方法有擴散焊、攪拌摩擦焊、熔釬焊、激光焊、冷壓焊等特種連接技術(shù)。鈦合金因具有比強度和熱導(dǎo)率高、耐腐蝕性和生物相容性好等優(yōu)點而被廣泛的應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療器械等行業(yè)中[2]。研究鈦合金和異種金屬的焊接是充分發(fā)揮鈦合金的優(yōu)異性能和擴展其應(yīng)用范圍的有效途徑。當(dāng)前，主要的研究熱點有鈦合金和鋁合金、鋼、銅合金、鎂合金等異種金屬的焊接。

1 鈦合金和鋁合金的焊接

鈦合金和鋁合金的焊接問題隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展而受到各個國家和眾多研究者的重視。然而由于鈦合金和鋁合金在晶體結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)、熔點和熱導(dǎo)率等方面存在著較大的差異，常規(guī)的焊接方法很難獲得可以滿足使用要求的焊接接頭。為了解決鈦合金和鋁合金在焊接過程中存在的問題，研究者對鈦合金/鋁合金的擴散焊、攪拌摩擦焊、電子束熔釬焊、激光焊、真空釬焊、液相擴散焊等方法進行了大量實驗和研究[3-6]。

姚為等[7]采用擴散焊技術(shù)對TA2/LF6異種金屬進行了實驗，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接溫度超過525℃時，Ti/Al/Mg三種元素將會發(fā)生擴散反應(yīng)生成Al18Ti2Mg3型中間相，焊接接頭的結(jié)合強度取決于擴散反應(yīng)產(chǎn)生的新相區(qū)和固溶冶金結(jié)合區(qū)，結(jié)合強度隨擴散反應(yīng)新相區(qū)的增大而降低，隨固溶冶金結(jié)合區(qū)的增大而升高。圖1顯示了焊接溫度對TA2/LF6擴散焊焊接接頭剪切強度的影響。可以看出當(dāng)焊接溫度為500℃時，焊接接頭的抗剪強度隨保溫時間的延長而增加，當(dāng)保溫時間為600 min時達到最大值74 MPa；當(dāng)焊接溫度為525℃時，焊接接頭的抗剪強度在保溫240 min 時達到最大值83MPa，之后急劇減小；當(dāng)焊接溫度分別為550℃和565℃時，焊接接頭的抗剪強度最大值降低，分別為61 MPa 和55MPa。

張振華等[8]對TC4鈦合金與5A06鋁合金進行了攪拌摩擦焊接實驗，指出采用最佳工藝條件（n=1500 r/min，ν=60 mm/min，T=0.1 mm）進行焊接時獲得的Ti /Al對接焊縫的抗拉強度達到可以達到5A06 鋁合金抗拉強度的 88%左右，且其斷裂主要發(fā)生在鋁側(cè)焊合區(qū)內(nèi)。圖2（a）為最佳工藝條件下TC4/5A06攪拌摩擦焊焊接接頭對應(yīng)的鈦合金一側(cè)斷裂面掃描圖。可以看出圓形標記區(qū)域為平坦光滑的脆性解理面，說明該處界面為脆性連接，界面結(jié)合強度較低。圖2（b）為圖2（a）矩形標記區(qū)域的局部放大圖，該區(qū)域大量分布的緊密排列的韌窩說明該處界面為韌性連接，界面結(jié)合強度較高。

王亞榮等[9]采用電子束熔釬焊對TC4鈦合金和5A06鋁合金進行了冶金結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)Ti/Al元素在焊接過程中在界面處產(chǎn)生了互擴散現(xiàn)象，并形成了寬度約為1.0～1.6 mm的中間層，其中在鈦合金一側(cè)形成了寬度約為20～40 μm的擴散層，而在鋁合金一側(cè)則分布著大量金屬間化合物。該法所形成的界面能夠提高鈦合金/鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能。

2 鈦合金和鋼的焊接

鈦合金/鋼異種焊接復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅具有鈦合金高的比強度和良好的抗腐蝕性能，還兼容了鋼材料應(yīng)用范圍廣、價格便宜的優(yōu)點[10]。但由于鈦合金和鋼的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)的差異性太大，且互溶性又較差，焊接時容易生成脆硬性的Ti-Fe金屬間化合物，致使鈦合金/鋼的異種焊接困難。為了解決這些問題，研究者對有關(guān)鈦合金/鋼異種金屬的擴散焊、釬焊、爆炸焊等焊接技術(shù)進行了深入研究和分析[11-13]。

Ting Wang等[14]對Ti6Al2Zr2Mo2V鈦合金和304奧氏體不銹鋼進行了電子束焊接，采用的填充材料為V/Cu基復(fù)合材料。實驗表明單一的填料不能有效的抑制Ti Fe金屬間化合物的生成，只有兩種或者兩種以上的填料才能達到抑制效果。Taeshin CHUNG等[15]分別使用了Ti+Zr基40Ti-20Zr-20Cu-20Ni釬料、銀基Ag-6Pd釬料、鎳基 BNi2和BNi7釬料對Ti-6Al-4V鈦合金和STS304不銹鋼進行了釬焊實驗。實驗證明，Ni基填充材料中的Ni可以有效地起到穩(wěn)定元素的作用，從而降低β相的轉(zhuǎn)變溫度。對于Ag基填充材料來說雖然加入其他材料可以提高焊接接頭的強度，但由于Ag和Ti的親和性較差不能有效地提高填充材料的擴散。潤濕角和進入鋼側(cè)母材擴散原子數(shù)BNi7≥BNi2>40>Ag-5Pd。李炎等[16]對鈦與20鋼爆炸焊接結(jié)合區(qū)的顯微組織進行了分析，在焊接界面處的鋼側(cè)和鈦側(cè)母材內(nèi)都含有高密度位錯，其中，鋼側(cè)面出現(xiàn)了等軸細晶及變形拉長的晶粒區(qū)。結(jié)合區(qū)內(nèi)可以觀察到相互熔合的復(fù)合界面，說明爆炸產(chǎn)生的高能量使界面金屬熔化，液體金屬的噴射與急冷使結(jié)合區(qū)內(nèi)出現(xiàn)微晶、微孿晶及鈦的亞穩(wěn)相。Yongqiang Deng等[17]用純Ag作為填充材料對工業(yè)純鈦和304不銹鋼進行壓力擴散焊，實驗表明Ag可以有效地抑制脆性金屬間化合物Ti-Fe的形成，而Ag形成的金屬間化合物承載能力較強，從而提高焊接接頭的強度。

3 鈦合金和銅的焊接

銅合金作為良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱材料在航空航天、化工、造船、能源等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。將鈦合金和銅合金焊接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)材料具有廣闊的應(yīng)用前景。目前為止，已經(jīng)有不少的人研究過鈦合金/銅異種金屬的連接或焊接 [18-20]。

Lee等[21]使用鋯基釬料進行Ti-Cu異種金屬的釬焊，研究發(fā)現(xiàn)，隨著釬焊時間的增加，釬料中的Zr和母材中的Ti、Cu發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致接頭部分敏感區(qū)域由富鈦相向富銅相轉(zhuǎn)變。而且隨著釬焊時間的變化，接頭中金屬間化合物的形成基本上分為三個階段（1）焊縫界面區(qū)Ti2Cu金屬間化合物的形成；（2）Ti2Cu/TiCu在和Cu2TiZr兩相結(jié)構(gòu)金屬間化合物的形成；（3）向富銅相金屬間化合物的轉(zhuǎn)變，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)接頭由Ti2Cu/TiCu + Cu2TiZr相組成時，接頭可以獲得最大抗拉強度。Nizamettin等[22]利用爆炸焊進行Ti-6Al-4V板材和紫銅板材的連接，研究了不同量爆炸材料的使用對結(jié)合界面的影響。抗剪切試驗發(fā)現(xiàn)接頭斷裂位置位于銅板一側(cè)，而不是焊縫結(jié)合面處。隨著爆炸材料配比的增加，界面處晶粒細化非常明顯。另外，在焊縫結(jié)合面處沒有發(fā)現(xiàn)金屬間化合物的生成。Meshram 等[23]對工業(yè)純鈦和紫銅進行了摩擦焊接研究，他們發(fā)現(xiàn)焊接時間過長將會導(dǎo)致較厚金屬間化合物中間層的形成，從而導(dǎo)致接頭強度降低。趙熹華等[24]研究了鈦合金和銅合金的擴散焊接，并對接頭接合區(qū)形貌進行了分析討論，試驗結(jié)果表明，采用Ni、Ni/Cu復(fù)合層作為中間層時，鈦合金一側(cè)的鎳擴散速度慢，并且擴散不充分，導(dǎo)致接頭存在宏觀裂紋，接頭強度較低。當(dāng)采用Cu作為中間層時，接頭裂紋缺陷消失，強度增高。張凱鋒等[25]采用Cu箔作為中間層進行TB2鈦合金的擴散焊，研究發(fā)現(xiàn)，在所選的擴散工藝參數(shù)下，擴散接頭生成 Cu3Ti2、CuTi、CuTi3金屬間化合物，對接頭力學(xué)性能產(chǎn)生嚴重負面影響。

4 鈦合金和鎂合金的焊接

鎂合金因具有比強度和比剛度高、地磁屏蔽性能和阻尼性能好等優(yōu)點而被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中。將鈦合金和鎂合金進行異種金屬焊接，可以有效改善鎂合金高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能差的缺點，解決鎂合金性能短板，結(jié)合鈦合金和鎂合金的性能優(yōu)勢，提高其應(yīng)用范圍。目前鈦合金和鎂合金之間主要存在著擴散焊、爆炸焊、電阻焊和攪拌摩擦焊等焊接方法[26-28]。

Watanabe等[29]對ZK60鎂合金和鈦合金板材進行攪拌摩擦焊，重點研究其界面擴散區(qū)的微觀組織和接頭的力學(xué)性能，并與純鎂-鈦的攪拌摩擦焊接頭進行對比。研究顯示可以通過攪拌摩擦焊的方法來實現(xiàn)ZK60鎂合金與鈦合金板材之間的冶金連接。拉伸試驗發(fā)現(xiàn)斷裂面主要發(fā)生在接頭界面部分的ZK60鎂合金與攪拌區(qū)之間。此外，ZK60鎂合金中的鋅、鋯等合金元素在攪拌摩擦焊過程中與鈦在接頭界面處發(fā)生反應(yīng)形成一很薄的反應(yīng)層，由于純鎂和鈦合金接頭界面處沒有形成反應(yīng)層，使得ZK60鎂合金與鈦合金接頭的抗拉強度要高于純鎂和鈦合金接頭。

熊江濤等[30]以50μm厚的純Al作為過渡金屬對AZ31B鎂合金/Ti-6A1-4V異種金屬間進行了擴散焊實驗。研究發(fā)現(xiàn)若保溫時間控制在3h，焊接溫度是改變接頭微觀組織、界面新生相與連接強度的重點影響因子。若焊接溫度比450℃小，則在Mg/Al接觸層沒有共晶組織形成，不能完成鎂合金和鈦合金之間有效結(jié)合；若焊接溫度在450℃到480℃，則焊接溫度成為Mg/Al/Ti接觸層的主要控制因素，主要對連接界面處反應(yīng)產(chǎn)物的組織形貌與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生波動變化。若焊接溫度達到470℃，保溫時間達到3h，則連接界面剪切強度最高，是72.4MPa，達到了AZ31B母材（86MPa）的84.2%。

5 問題和建議

由于鈦合金和異種金屬的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)存在較大差異，在焊接過程中容易形成脆性的金屬間化合物，導(dǎo)致焊接接頭強度變差。因此在焊接過程中加入適當(dāng)?shù)闹虚g過渡金屬、選擇合適的焊接工藝和焊接方法對改善焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能是十分必要的。

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