TC4鈦合金真空釬焊工藝研究

宋一凡 徐楓 劉聰 韓晶北京中大華遠認證中心

一、引言

TC4鈦合金是α+β鈦合金的代表，也是目前最常用到的鈦合金種類。TC4鈦合金具有強度大、剛度高、耐蝕性好以及高 溫機械性能優良等優點，被廣泛應用于航空、航天和其它工業領域。TC4鈦合金的釬焊件主要用于宇航結構和航空發動機葉片、動力渦環組件、液壓導管和導管配件、飛機蜂窩結構、疊層壁板、帶肋蒙皮等。在一些復雜、薄壁精密結構的鈦合金零件的制造工藝中，釬焊連接也因具有獨特的優勢而愈來愈受到重視，逐漸成為釬焊領域研究的熱點之一。

本文選用Ti-Zr-Cu-Ni系釬料真空釬焊TC4鈦合金，研究真空釬焊工藝。

二、試驗方法

（一）試驗母材和釬料

TC4鈦合金化學成分見表1：

表1 TC4的化學成分

釬料為Ti-Zr-Cu-Ni系釬料，釬料為粉狀，其化學成分和物理特性見表2：

表2 Ti-Zr-Cu-Ni系釬料的化學成分和物理特性

（二）試驗方法

(1) 采用厚度為3mm的TC4板材，在真空釬焊爐內進行試樣的釬焊，其具體尺寸見圖1；

圖1 試驗件尺寸

(2) 施焊前，將TC4表面待焊處用60目砂紙研磨，去除表面雜質和氧化物，并用酒精清洗干凈烘干備用；

(3) 向釬料粉末中加入酒精混合均勻成膏狀，涂在被焊材料表面之間；

(4) 為了解決真空釬焊拉剪試樣搭接面積和焊接間隙固定的問題，降低廢件率，設計一種專用定位工裝。該定位工裝實物圖如圖2所示；

(5) 釬焊設備采用WZQH-30型多功能真空釬焊爐，真空度高于6×10-3 Pa；

(6) 將試樣進行編號，采用不同的釬焊溫度和保溫時間進行釬焊；

(7) 采用超聲波C掃描對試樣進行焊縫內部質量的探傷檢驗；采用金相顯微鏡對接頭界面進行觀察分析；接頭剪切試驗在電子萬能試驗機上進行，加載速率為0.5mm/min，每個試驗數據點測試2～3個樣品，取其平均值。

圖2 焊接定位工裝實物圖

三、試驗結果與分析

（一）釬焊溫度對于TC4鈦合金釬焊接頭的性能影響

定時試驗：固定TC4鈦合金真空釬焊的保溫時間，變化釬焊溫度。將試樣依次編號1a～6a，其相應的釬焊工藝參數見表3：

表3 TC4鈦合金真空釬焊工藝參數表

1.焊縫質量

圖3是1a～6a號焊后試樣的超聲波C掃描圖，由圖3看出，試樣在低釬焊溫度下釬焊時，焊縫中出現數量多、面積大的穿透性缺陷；隨釬焊溫度的提高，穿透性缺陷的數量和面積逐漸下降；釬焊溫度高于940℃時，穿透性缺陷基本消失。

在相對較低的釬焊溫度下，熔態釬料流動性差，不能將粉狀釬料的空隙填滿，造成多數量、大面積穿透性缺陷出現；隨釬焊溫度的提高，熔態釬料能夠較好的潤濕母材，流動性增強，粉狀釬料的空隙逐漸填滿，穿透性缺陷隨之減少。

圖3 1a～6a（從左至右）號焊后試樣超聲波C掃描圖

2.組織結構

圖4是1a～6a號試樣在300倍金相顯微鏡下的釬焊接頭典型組織形貌。由圖4可以看出，在900℃釬焊時，基體保留原有細小組織，釬縫接頭輪廓清晰，與母材界限明顯，接頭處有細小針狀結構組織出現，并往焊縫內生長；隨釬焊溫度的提高，基體中初生α相逐漸增加，釬縫寬度逐漸擴展，釬縫與基體界面逐漸模糊，針狀結構組織數量逐漸增多、體積逐漸增大；當釬焊溫度達到960℃以上時，針狀結構組織幾乎布滿整個焊縫，釬縫和基體融合在一起。

圖4 1a～6a（從左至右）號焊后試樣組織形貌

3.力學性能分析

對1a～6a號焊后試樣進行拉剪試驗，其拉剪力學平均值列于表4：

表4 1a～6a號焊后試樣拉剪力學平均值

圖5為在30min保溫時間，不同釬焊溫度條件下，接頭室溫抗剪強度的變化圖。

圖5 焊后試樣接頭室溫抗剪強度變化圖

由表4和圖5可以看出，當釬焊溫度為900℃時，接頭抗剪強度較低；提高釬焊溫度至920℃，接頭抗剪強度提高幅度較大；繼續提高釬焊溫度，接頭抗剪強度呈較穩定狀態。

在900℃釬焊時，熔態釬料流動性較差，釬縫和母材未能很好融合，存在較多的穿透性缺陷，造成接頭抗剪強度較低；隨釬焊溫度逐漸提高，熔態釬料的流動性增強，釬縫和母材能較好地融合在一起，接頭抗剪強度顯著提高；由于釬焊溫度均在1000℃以下，基體晶粒無明顯粗化現象、接頭中無明顯的細小魏氏組織，接頭抗剪強度能夠維持在一個較穩定的狀態。

4.試驗結果

在定時試驗中，確定960℃為最佳釬焊溫度。在960℃釬焊溫度下的試樣：釬料完全融化，熔化態釬料流動性良好，母材被完全潤濕；焊縫無貫穿性缺陷出現；釬縫和基體基本融合在一起，基體晶粒無明顯粗化現象，接頭中無明顯的細小魏氏組織出現；接頭抗剪強度為384.42MPa，維持在較好的力學性能水平。

（二）保溫時間對于TC4鈦合金釬焊接頭的性能影響

定溫試驗：根據定時試驗，固定TC4鈦合金960℃的真空釬焊溫度，變化保溫時間。將試樣依次編號1b～3b，其相應的釬焊工藝參數見表5：

表5 TC4鈦合金真空釬焊工藝參數表

1.焊縫質量

圖6 1b～3b（從左至右）號焊后試樣超聲波C掃描圖

圖6是1b～3b號焊后試樣的超聲波C掃描圖。由圖6看出，試樣在960℃釬焊溫度進行釬焊時，相較于其它試樣，1b號試樣穿透性缺陷面積較大，這與保溫時間過短有關，熔態釬料無法在較短時間內將空隙填滿便進入到降溫階段，其它試樣均表現出較好的焊接質量。

2.組織結構

圖7為1b-3b號試樣在300倍金相顯微鏡下的釬焊接頭典型組織形貌。由圖7可以看出，當保溫時間為5min時，基體保留原有細小組織，釬縫接頭與母材界限明顯，接頭處開始有細小針狀結構組織出現，但數量很少；當保溫時間為10min時，基體中出現初生α相，釬縫與基體界面開始模糊，出現融合跡象，針狀結構組織數量增多、體積增大，并向焊縫內生長；當保溫時間為30min時，基體中初生α相繼續增多，針狀結構組織數量和體積繼續增長，幾乎布滿整個焊縫。

圖7 1b～3b（從左至右）號焊后試樣組織形貌

3.力學性能分析

對1b～3b號焊后試樣進行拉剪試驗，其拉剪力學平均值列于表6：

表6 1b～3b號焊后試樣拉剪力學平均值

圖8為在960℃的釬焊溫度，不同保溫時間條件下，接頭室溫抗剪強度變化圖。

圖8 焊后試樣接頭室溫抗剪強度變化圖

由表6和圖8可以看出，在相同釬焊溫度條件下，隨保溫時間的提高，釬焊接頭抗剪強度會呈現先升高再降低的變化規律。且在保溫時間為10min時，接頭抗剪強度達到最大值。

在過短的保溫時間內，熔態釬料不能很好的潤濕母材，無法充分與母材發生融合，之后便很快進入到降溫階段；而在過長時間的保溫時間內，母材和焊縫內組織容易產生粗大相，導致母材和接頭變脆；10min的保溫時間，即能使釬料與母材發生很好的融合，又不至于使母材和接頭過度粗化。

3.試驗結果

在定溫試驗中，確定10min為最佳保溫時間。在10min保溫時間釬焊的試樣：釬料完全融化、流動性良好；焊縫無貫穿性缺陷；釬縫和基體融合；接頭抗剪強度為399.6MPa，達到最大值。

（三）研究小結

通過定時和定溫試驗，確定在真空釬焊TC4鈦合金時，釬焊溫度960℃和保溫時間10min是其最佳配合工藝參數。執行此工藝參數，TC4鈦合金真空釬焊焊接質量良好、母材和焊縫組織融合、抗剪強度最大。

四、結論

(1) 在適當的工藝條件下，采用Ti-13Zr-21Cu-9Ni釬料可實現TC4鈦合金的連接。 (2) 復合釬焊工藝參數影響接頭的力學性能，當釬焊溫度為960℃、保溫時間為10min時，接頭室溫抗剪強度最高為399.6 Mpa。