擴散連接工藝對SP-700鈦合金熱軋板連接界面結合性能的影響

劉繼雄1,，王文君1，黃 拓1，王 新1，王小翔1，王鼎春1，高 頎

(1.寶雞鈦業股份有限公司，寶雞 721014；2.寶鈦集團有限公司，寶雞 721014)

0 引 言

SP-700鈦合金是一種新型富β的α+β兩相鈦合金，名義化學成分(質量分數/%)為Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe。該合金于1989年由日本NKK公司開發，具有強度高、塑性好、疲勞性能和冷熱加工性能優異以及生產成本低等優點，在航空航天、汽車、體育等領域得到廣泛應用[1-2]。經軋制加工后，SP-700鈦合金組織細小均勻，表現出優良的綜合性能，尤其是超塑性能，伸長率可達2 000%。SP-700鈦合金的超塑成形溫度比TC4鈦合金的低100 ℃以上，可取代其用于制造航空航天構件。

超塑成形-擴散連接(SPF/DB)技術是在材料超塑成形的基礎上，利用擴散連接來制備高精度大型零件，實現近無余量加工的方法，可極大地縮短制造周期，降低制造成本，在鈦合金飛機整體結構件制造中取得較大進展[3-5]。然而目前，SP-700鈦合金結構件連接方面的研究主要集中在激光焊[6-8]以及與TC4鈦合金異種金屬擴散焊[9]等方面，鮮有關于SP-700鈦合金軋板擴散連接的研究。為此，作者利用熱模擬試驗機對SP-700鈦合金熱軋板材進行擴散連接試驗，研究了擴散連接溫度和時間對合金連接界面形貌及結合強度的影響，以期為鈦合金熱軋板擴散連接的工程應用提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度12 mm的SP-700鈦合金熱軋板材，由寶雞鈦業股份有限公司提供，化學成分如表1所示。

采用線切割機截取尺寸為15 mm×12 mm×12 mm(長×寬×高)的試樣，將待連接面(寬×高)磨平、拋光，然后用酒精清洗干凈。利用Gleeble3800型熱模擬試驗機進行擴散連接試驗，壓力為3 MPa，真空度為10-2Pa，擴散連接溫度為720，750，780，810，840 ℃，時間為5，15，30，45 min。

表1 SP-700鈦合金的化學成分(質量分數)

圖1 SP-700鈦合金在750 ℃擴散連接不同時間后的界面顯微組織Fig.1 Interface microstructures of SP-700 titanium alloy after diffusion bonding at 750 ℃for different times

截取連接界面試樣，經機械打磨、拋光后進行腐蝕，腐蝕劑由體積比為5…10…85的氫氟酸、硝酸和水配制而成。利用ZEISS AX10型光學顯微鏡和ZEISS ULTRA 55型掃描電鏡(SEM)觀察界面結合形貌和顯微組織。將擴散連接后的試樣制備成尺寸為12 mm×1 mm×30 mm的拉伸試樣(非標準試樣)，采用CMT5105型電子萬能試驗機進行拉伸試驗以測試結合強度，拉伸速度為0.005 mm·min-1。

2 試驗結果與討論

2.1 擴散連接時間對界面結合形貌的影響

由圖1可以看出，在750 ℃擴散連接時，SP-700鈦合金連接界面上存在未結合區域，隨連接時間延長，界面未結合區域減少；當連接時間為5，15 min時，未結合區域長度大于10 μm；當連接時間為30 min時，界面未結合區域尺寸在1 μm左右；當連接時間達到45 min時，界面未結合區域幾乎消失。

由圖2可以看出，在780 ℃擴散連接時，隨連接時間延長，SP-700鈦合金界面未結合區域減少并消失，且在連接30 min時，界面就基本實現了完全結合，結合圖1分析可知，升高擴散連接溫度可以明顯縮短連接時間。但連接時間為45 min時，合金結合界面上可觀察到一處明顯的未結合區域，這是由于該處氧化物未處理干凈所致，同時界面附近還形成了少量的等軸α相。

2.2 擴散連接溫度對界面結合形貌的影響

由圖3可知：在720 ℃下擴散連接30 min時，SP-700鈦合金結合界面處存在較多未結合區域，長度最大在10 μm左右；隨擴散連接溫度升高，界面未結合區域逐漸減少，當溫度高于780 ℃時，界面結合率達到100%；擴散連接溫度為840 ℃時，合金結合界面上可觀察到等軸α相，其相對直徑小于5 μm，說明界面處發生了β相向α相的轉變，冶金結合良好。

圖2 SP-700鈦合金在780 ℃擴散連接不同時間后的界面顯微組織Fig.2 Interface microstructures of SP-700 titanium alloy after diffusion bonding at 780 ℃ for different times

圖3 SP-700鈦合金在不同溫度下擴散連接30 min后的界面顯微組織Fig.3 Interface microstructures of SP-700 titanium alloy after diffusion bonding at different temperatures for 30 min

2.3 界面結合強度

由圖4可以看出：擴散連接時間為30 min時，隨擴散連接溫度的升高，合金界面結合強度不斷增加；擴散連接溫度從720 ℃增至750 ℃和從780 ℃增至810 ℃時,試樣結合強度增幅較小。

圖4 在不同溫度擴散連接30 min后SP-700鈦合金的界面結合強度Fig.4 Interface bonding strength of SP-700 titanium alloy afterdiffusion bonding at different temperatures for 30 min

由圖5可以看出：擴散連接溫度為750，780 ℃時，SP-700鈦合金的界面結合強度隨擴散連接時間的延長而增加；相同擴散連接時間下，780 ℃下試樣的結合強度高于750 ℃下的，且隨擴散連接時間的延長，兩者之間差值逐漸增大，從5 min時的68 MPa增至45 min時的150 MPa。

圖5 不同擴散連接溫度下SP-700鈦合金界面結合強度隨時間的變化曲線Fig.5 Interface bonding strength vs time curves of SP-700 titaniumalloy after diffusion bonding at different temperatures

2.4 討 論

對比溫度和時間對SP-700鈦合金擴散連接結合界面形貌和結合強度的影響可以看出，高溫和長時間擴散連接可以獲得較好的連接效果和相對較高的結合強度，兩者具有對應關系，界面結合區域的增加是界面結合強度提高的主要原因，且溫度比時間的影響更為顯著。

試驗采用的壓力和真空度參數較為合理，在實現界面結合的同時，避免了界面氧化物的形成。在鈦合金擴散連接過程中，壓力、溫度和時間的共同作用促進了界面塑性變形和元素擴散。與其他合金固相擴散連接一樣，界面上存在空洞愈合以及界面遷移過程[10]。在一定范圍內，隨擴散連接溫度的升高和時間的延長，空洞愈合速度加快，界面結合率增加，結合強度提高。

SP-700鈦合金中含有較多的β穩定元素，相變點較低，α+β相完全轉變為β相的溫度為900 ℃，同時，合金中的鐵元素為易擴散元素，有利于其在相變點以下獲得較好的結合效果。SP-700鈦合金熱軋板組織為β轉變組織變形后形成的帶狀組織，試驗擴散連接溫度下，部分組織會發生回復再結晶形成等軸α相，但仍以β轉變組織為主。β轉變組織由間距和厚度較小的片層組織組成，這種細片層組織可加快元素擴散，降低擴散溫度，從而提高界面結合率。在相同的加載壓力、更高的擴散溫度下，材料強度下降，界面元素更容易協同擴散。因此，在840 ℃、30 min擴散連接工藝下，SP-700鈦合金獲得了較高的界面結合強度。

3 結 論

(1) 隨擴散連接溫度的升高和時間的延長，SP-700鈦合金界面未結合區域逐漸減少直至消失，界面結合強度增加；溫度越高，實現完全結合所需時間越短，在溫度高于750 ℃下擴散連接30 min時，界面基本實現了完全結合。

(2) 在840 ℃、30 min擴散連接工藝下，SP-700鈦合金結合界面上可觀察到大量由于β相轉變形成的等軸α相組織，冶金結合良好，界面結合強度最高，達400 MPa。