填加V/Cu復合中間層的TiAl基合金與鋼激光焊接頭組織和性能研究

李洪梅， 白 雪, 韓 琦， 何禹志, 仲昭輝

(1.吉林大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130025;2.吉林大學 汽車工程學院， 吉林 長春 130025)

0 引 言

高溫結構材料的研究、發展和應用是與航空、航天工業的發展息息相關的[1]。TiAl基合金是基于航空、航天飛行器及其高推重比發動機為主要需求背景開發的一類輕質高溫材料。其密度為3.7～3.9 g/cm3，不到Ni基高溫合金密度的一半，并且具有高熔點、高彈性模量、好的高溫強度以及良好的高溫抗蠕變性能和抗氧化性能等特點，是一種具有應用前景的新型輕質耐高溫結構材料[2-3]。目前，航空航天產品以及高級轎車普遍采用渦輪增壓的方法來改善發動機性能。增壓渦輪大多數采用鎳基高溫合金制成，鎳基合金的比重大，發動機工作過程中容易產生啟動、停止響應性差的問題。采用TiAl基合金代替鎳基合金制成增壓渦輪,將極大地提高發動機的啟動性能以及動態響應性，提高發動機燃油熱效率，進而達到降低排放和噪聲污染的目的。隨之而來的TiAl基合金與鋼軸的連接成為亟待解決的問題。

目前，國內外學者已經對TiAl基合金與鋼異質材料連接進行了相關研究，主要涉及的焊接方法有擴散焊、摩擦焊和釬焊等固態連接方法。擴散焊[4-9]主要包括直接接觸擴散連接以及加入中間層的擴散連接。總結這些研究，可得出一些共性的認識：

1)直接接觸的擴散連接頭界面脆性相較多，焊接性較差，接頭強度較低；

2)加入中間層在一定程度上改善了接頭脆性相的種類和分布，可以獲得性能較好的連接接頭，但接頭強度的分散性較大；

3)擴散焊連接時間長，增加了成本。

摩擦焊[10-11]方面，其研究思路與擴散焊類似，同樣包括直接摩擦焊和加入中間層/第三體的摩擦焊。研究結果表明，摩擦焊可以實現TiAl基合金與鋼的連接，但存在一定的局限性：

1)接頭形式受到限制，無法對形狀復雜或者小尺寸試樣進行焊接；

2)加入中間層/第三體可在一定程度上提高接頭的強度，單接頭上存在多個界面，接頭質量難以控制；

3)摩擦焊產生的飛邊對后續處理增加了工作量；

4)TiAl合金側熱影響區存在大量的微裂紋，如何減少或者消除TiAl合金側微裂紋，提高接頭的性能仍是TiAl合金摩擦焊中需要解決的關鍵問題。

釬焊[12-16]方面，研究結果顯示，真空擴散釬焊連接TiAl基合金與鋼是可行的，但工件尺寸和形狀常常受到真空室的限制，同時釬料元素及成分配比有待于進一步合理設計。

熔化焊是應用最為廣泛的焊接方法之一。傳統的熔化焊接TiAl基合金與鋼易產生大量脆性金屬間化合物，在焊接應力的作用下極易發生開裂，不能形成有效的異質接頭。激光焊因其具有高能量密度、低熱輸入、光束方向性、焊接變形小、熔化金屬量少、焊縫窄且熱影響區小等特點，可精準調控TiAl基合金與鋼異質金屬焊縫的形成過程、焊縫組織，提高連接質量，被認為是連接異質材料最有效的熔化焊方法[17-19]。

文中采用激光焊連接TiAl基合金與鋼異質材料，通過填加V/Cu復合中間層的方法，研究改善異質接頭焊接性的調控措施及調控機理，實現TiAl基合金與鋼異質材料激光焊接,項目成果可應用于航空航天、能源、化工等領域。

1 試驗材料、設備與方法

1.1 試驗材料

采用TiAl基合金和40Cr鋼作為母材開展TiAl基合金/40Cr鋼異質材料激光焊的研究。TiAl基合金的名義成分為Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子百分比at.%)；40Cr鋼經調質處理，其化學成分見表1。

表1 40Cr鋼的化學成分 wt.%

為了改善焊接性，選用純度大于99.95wt.%(重量百分比wt.%)的純V、Cu薄片作為中間過渡層，其中V層厚度為0.2 mm，與TiAl合金相鄰；Cu層厚度為0.4 mm，與鋼相鄰，研究填加V/Cu復合中間層的TiAl基合金/鋼激光焊接頭微觀組織與力學性能特點。

1.2 復合中間層的設計

選擇V/Cu復合中間層的依據：

1)根據V與Ti、Al二元合金相圖[20]可知，V與Ti不形成中間相，而Al在V中具有較大的溶解度，有利于改善激光焊的結合性能；

2)由Cu-Fe、Cu-V的二元相圖[20]可知，Cu與Fe、V不形成金屬間化合物；

3)由Cu-Ti、Cu-Al二元相圖[20]可知，Cu與Ti、Al可形成多種金屬間化合物，但文獻[20-22]報道Cu-Ti、Cu-Al金屬間化合物的脆性較小，對接頭的危害遠低于Fe-Ti、Fe-Al系金屬間化合物；

4)V與TiAl合金、Cu與鋼的線膨脹系數差異較小，有利于緩解異種材料焊接接頭的殘余應力。

綜上所述，選擇V/Cu復合中間層作為TiAl/鋼激光焊填充材料是合理的。

1.3 試驗方法及設備

試驗研究TiAl基合金與40Cr鋼異質材料激光焊接頭的宏/微觀組織與力學性能。兩種母材試樣尺寸均為40 mm×20 mm×1 mm。焊前去除母材金屬的表面及待焊端面的氧化皮后，將試樣放入超聲清洗機超聲清洗5 min,去除試樣表面的磨屑及油脂，取出吹干，保存在密封袋中，2 h內實施焊接。

試驗采用HKW-1050B型激光焊接系統實施激光焊。將待焊的TiAl基合金與40Cr鋼母材試樣裝夾在自制的夾具上，焊接過程中通入保護氣體,對試樣的正面和背面均進行保護，防止空氣中N、H、O的侵入。研究填加V/Cu復合中間層的TiAl合金/鋼異質材料激光焊接頭組織與性能特點，探討提高異質激光焊接頭性能的途徑和方法。激光焊接示意圖如圖1所示。

(a) 不填加中間層材料

(b) 填加V/Cu復合中間層材料

激光焊參數見表2。

表2 激光焊參數

采用ZEISS Scope A1型光學顯微鏡(OM)、S-3400N型掃描電鏡(SEM)研究接頭的宏/微觀組織及拉伸斷口形貌；用EDΛX能譜儀(EDS)對接頭成分進行分析。采用HX2000型顯微硬度計對接頭硬度進行測試，其加載力為200 g，加載時間為10 s。接頭硬度測試包括焊縫區、熱影響區和母材。采用型號為MTS810拉伸試驗機對接頭與母材的拉伸性能進行測試，拉伸速率為0.2 mm/min。母材和不同參數下接頭的抗拉強度及應變通過3～4個試樣測試值的平均值確定。

2 結果與討論

為了研究TiAl合金/鋼異質材料激光焊接性特點，首先研究二者在不填加中間層材料的條件下激光焊接頭的組織與性能特點，以此為基礎探索改善TiAl基合金/鋼異質材料激光焊接頭性能的途徑。

TiAl/鋼激光焊接頭正面照片及斷口形貌如圖2所示。

(a) 焊后接頭試樣正面

(b) 斷口形貌

研究表明，當TiAl基合金/鋼在不填加中間層材料直接進行激光焊接時，未能形成有效的焊接接頭，在焊接過程中即發生斷裂，見圖2(a)，表明TiAl基合金/鋼異質材料直接激光焊接性很差。斷裂位置多位于TiAl基合金/鋼激光焊縫中心，斷口呈現典型的脆性斷裂特征，斷裂表面存在裂紋缺陷。這主要歸因于TiAl基合金與40Cr鋼存在巨大的物理、化學性能差異，熔焊過程中極易形成Ti-Fe、Al-Fe、Ti-Al-Fe等脆性金屬間化合物，在焊接應力的作用下極易發生開裂。

填加V/Cu復合中間層的TiAl/鋼異質金屬激光焊接頭外觀成形形貌如圖3所示。

(a) 正面

(b) 背面

由圖3可見，焊接試樣正面與背面焊縫成形均良好,背部完全熔透，未發現宏觀裂紋缺陷，表明填加V/Cu復合中間層時可以實現TiAl基合金與鋼異質金屬的連接，且選擇的焊接參數是合適的。

接頭微觀組織分析如圖4所示。

(a) 接頭低倍像

(b) 焊縫區BSE像

(c) 鋼側界面區

(d) TiAl基合金側界面區

圖4(a)為接頭橫截面低倍光學低倍像。獲得的焊縫較為細窄，焊縫區組織是不均勻的，存在富Cu區。 進一步對焊縫進行背散射(BSE)分析，見圖4(b)。焊縫區主要由灰色的等軸樹枝晶和白色的晶間相組成。

分別對灰色相1和白色相2進行EDS成分分析，見表3。

表3 TiAl基合金與焊縫區界面成分分析

結果表明，灰色區主要含有較多的Fe、V、Cu和少量的Al、Ti；白色區主要含有Cu和少量的Al、Ti、V、Fe。分析認為，灰色區主要為(Fe,V,Cu)固溶體相，白色區主要為Cu基固溶體相和富-Cu金屬間化合物相[6-7，14]。焊縫區生成固溶體相及富-Cu金屬間化合物相,有利于降低焊縫區的脆硬性，提高接頭的力學性能。

圖4(c)為焊縫區與鋼母材界面區微觀組織形貌。由圖可見，鋼母材與焊縫區的界面并未形成明顯的金屬間化合物層。結合該界面區的EDS分析結果可以看出(見表3)，鋼側界面區主要由固溶體相組成，表明加入Cu元素有利于焊縫區與鋼的過渡。

圖4(d)為TiAl基合金母材與焊縫區界面區微觀組織形貌。由圖可見，TiAl基合金與焊縫區形成了一定厚度的金屬間化合物層。該界面區EDS成分分析(見表3)表明，緊鄰TiAl基合金側形成了白色AlCuTi金屬間化合物層[14]，逐漸向焊縫區移動，可觀察到柱狀樹枝晶及晶間組織，根據EDS成分分析結果推測,該區主要為AlCu2Ti相。文獻[24]研究表明，AlCuTi、AlCu2Ti相具有較高的硬度，特別是AlCuTi硬度更高，這表明該界面區具有較高的脆性，可能會成為整個接頭的薄弱地帶，后面的力學性能測試也證明了這一點。

接頭硬度分布如圖5所示。

圖5 接頭硬度分布

由圖5可見，焊縫區的硬度是不均勻的。焊縫區和鋼側熱影響區具有較高的硬度，鋼側熱影響區的硬度高于焊縫區。這主要是由于試驗選用了中碳鋼，在焊接后熱影響區易形成脆硬的馬氏體組織，從而導致熱影響區硬度值較高。接頭拉伸曲線、斷裂位置及斷口形貌如圖6所示。

圖6(a)為接頭的拉伸測試曲線，接頭抗拉強度為297 MPa，達到TiAl合金母材強度的75%以上；接頭應變量為4.7%，遠高于TiAl基合金母材的室溫應變量1.1%，表明加入V/Cu復合中間層對于可提高接頭的塑性和延展性。接頭斷裂于TiAl合金側界面區，主要是由于TiAl合金側界面區形成的AlCuTi和AlCu2Ti金屬間化合物層，導致裂紋敏感性增加，易產生裂紋缺陷，從而使該界面區成為整個接頭的薄弱環節。圖6(c)為接頭斷口形貌，由圖可見，與不填加中間層的斷裂斷口相比，接頭脆性得到改善，斷口呈準解理斷裂特征。進一步證明采用V/Cu復合中間層作為填充材料激光焊接TiAl/鋼異質金屬是可行的。

(a) 拉伸曲線

(b) 斷裂位置

(c) 斷口形貌

3 結 語

1)TiAl合金/鋼直接激光焊接，無法形成有效的焊接接頭，焊接過程中發生斷裂。接頭斷口呈明顯的脆性斷裂特征，斷口表面存在大量的裂紋。

2)填加V/Cu復合中間層可實現TiAl合金/鋼的連接。焊縫區主要由(Fe,V,Cu)固溶體相、Cu基固溶體相和富-Cu金屬間化合物相組成。焊縫區與鋼側熱影響區具有較高的硬度。接頭抗拉強度可達297 MPa，達到TiAl合金母材強度的75%以上，接頭斷裂于TiAl合金側界面區，主要與TiAl合金側界面區形成的AlCuTi和AlCu2Ti金屬間化合物層有關。