焊接溫度對鈦合金擴散焊接頭組織與性能的影響

于康， 周俊， 周杰

(1.上?？臻g推進研究所,上海201112；2.上海空間發動機工程技術研究中心,上海201112)

0 前言

隨著航空、航天、武器裝備性能要求的不斷提高，對于材料性能的要求越來越苛刻[1-2]，而TC4鈦合金具有耐腐蝕、比強度高、高溫性能良好等優點，在航天、航空、武器等領域有很好的應用前景[3-4]。隨著對材料研究的深入和加工技術的發展, TC4鈦合金的綜合性能被逐步得到更全面的認識和更廣泛的應用，因此受到國內外的廣泛關注[5]。

目前，國內外主要采用氬弧焊、激光焊[6-7]、電子束焊[8-9]、釬焊[10]、擴散焊等焊接方法進行TC4鈦合金材料的連接。但氬弧焊、激光焊、電子束焊作為熔焊方法，對于精度要求較高的產品顯然無法滿足，且其無法實現一些特殊部位的焊接；釬焊作為一種TC4鈦合金材料連接的常見方法被廣泛使用，但釬焊漫流性過大，易導致母材熔蝕，堵孔等缺陷；擴散焊作為一種新型的TC4鈦合金連接方法，日益引起了學者的重視，成為該材料連接領域的新熱點。擴散焊與熔焊及釬焊相比，具有以下的優點：①擴散焊接頭的顯微組織和性能與母材相同或接近，不存在各種熔焊缺陷，不存在過熱組織的熱影響區；②可以進行內部及多點、大面積構件的連接，以及電弧可達性不好或熔焊方法不能實現的連接。

目前，上海空間推進研究所主要采用Ti-Zr-Ni-Cu材料作為中間層進行鈦合金擴散釬焊連接，但該種中間層脆性大，加工困難，同時材料有較多孔洞缺陷，且價格昂貴。Ni箔與Ti-Zr-Ni-Cu材料相比，材料塑韌性較好，組織致密，可以采用激光切割加工方法，加工效率高，且價格便宜。文中結合TC4鈦合金材料的性能，研究采用加Ni箔中間層材料的擴散焊技術。

1 試驗材料及方法

文中采用的材料為TC4鈦合金。TC4鈦合金材料為α+β雙相組織，晶粒為等軸晶。擴散焊試驗采用的中間層為純Ni箔片，箔片厚度為14 μm。表1為TC4鈦合金材料的化學成分。

表1 TC4鈦合金化學成分(質量分數，%)

將TC4待焊表面用Keller試劑(1.0 mL HF + 1.5 mL HCl + 2.5 mL HNO3+ 95 mL H2O)清洗去除TC4氧化膜，經去離子水清洗后，將其與中間層材料Ni箔一起置于無水乙醇中清洗 5 min，冷風吹干。

試驗選用的擴散焊設備為真空輻射加熱擴散焊爐(MOV353HP)，主要參數如下：最高工作溫度1 350 ℃；有效工作區：300 mm×300 mm×200 mm。焊后采用電子掃描顯微鏡對接頭界面形貌進行觀察。

2 結果及討論

2.1 中間層選擇依據

結合國內外文獻及二元相圖，TC4鈦合金材料中主要元素Ti與Cu，Nb，Ni元素相容性較好，因此TC4鈦合金間接擴散焊一般采用以上3種箔狀材料進行焊接。Cu箔材料塑性較好，與Ti元素擴散速度快，擴散溫度低，可以實現固相和液相擴散連接，但Cu元素揮發明顯，且與航天產品推進劑不兼容，因此限制了其使用范圍；Nb與Ti無限固溶，但在低于鈦合金相變溫度以下進行的擴散連接主要為固相擴散連接，擴散過程無液相產生，要求擴散壓力較大，因此變形較大，不利于精度要求較高的產品。因此，文中選用純Ni箔作為中間層進行TC4鈦合金材料擴散焊。采用Ni中間層優點如下：①Ni箔材料高溫塑性比TC4鈦合金好，可以緩解鈦合金的變形，使接觸表面能很好的實現物理接觸，為實現良好的擴散連接提高條件，避免界面處孔洞的產生；②由Ni-Ti二元相圖可知，鈦與鎳會形成NiTi，NiTi2和Ni3Ti等金屬間化合物，但Ni箔較薄時，其金屬間化合物含量較低，此時金屬間化合物具有一定的塑性，能夠緩解一定的接頭應力；③Ni箔中間層的加入形成了硬/軟/硬接頭，由于三向應力的作用，接觸強化，界面處的塑性變形受到高強母材的約束而提高了接頭性能。

由Ni-Ti二元相圖可知，Ni與Ti元素在942 ℃時形成低熔共晶，因此焊接溫度選擇在942 ℃附近。TC4鈦合金擴散焊是在鈦合金結合面上加入與其基體元素Ti生成共晶組織的Ni中間層。在擴散焊前期，中間層Ni與TC4本身并不熔化，但隨著Ni-Ti元素之間的相互擴散，發生接觸反應，形成低熔共晶，液相漫流，填充原始接觸孔隙，由于共晶液相的存在加速了擴散過程，使靠近界面區域逐層達到共晶成分而液化，直到中間金屬Ni完全擴散并溶于TC4中，形成成分均勻，組織相近的牢固接頭。

2.2 焊接溫度對接頭界面組織的影響

根據公式(1)阿倫尼烏斯方程可知：擴散系數D與焊接溫度T、激活能E有指數關系，溫度越高擴散系數越大，供給金屬原子擴散所需的能量越高，從而界面間互相擴散的程度越大。焊接溫度不僅影響鈦合金原子的擴散能力,也影響其屈服強度，從而影響接頭的焊合率及接頭中成分、組織的均勻性，在整個擴散過程中均起重要作用。隨著溫度的升高，激活能E的降低，元素擴散程度逐漸加劇。

(1)

式中：D為擴散系數；D0為擴散常數；E為擴散過程的激活能；R為氣體常數；T為絕對溫度。

圖1為保溫時間120 min、焊接壓力0.1 MPa、不同焊接溫度下接頭及母材的微觀組織。

圖1 保溫時間120 min、焊接壓力0.1 MPa、不同焊接溫度下接頭及母材微觀組織

通過圖1a可以看出，當焊接溫度為920 ℃時，由于溫度低于Ni-Ti共晶點溫度942 ℃，隨著Ti-Ni元素之間的相互擴散，中間層Ni箔始終以固相形式存在，因此TC4/Ni/TC4界面處元素始終為固相擴散，由于溫度較低，且元素固相擴散激活能E較大，元素擴散較緩慢，焊后中間層厚度與Ni箔原厚度相比略有增加，為16.83 μm，且由于界面處沒有液相的存在，擴散壓力太小導致界面處物理接觸狀態較差，界面處有明顯的孔洞存在，如圖1a、圖1b、圖1c所示。當焊接溫度達到Ni-Ti共晶點以上，為950 ℃時，在擴散初期階段為固相擴散連接，由于焊接溫度相對較高，元素擴散過程較快，隨著元素擴散過程的進行，當Ni，Ti元素比例接近共晶點比例時，由于焊接溫度超過共晶點溫度，界面處形成液相，此時擴散過程變為TC4/低熔共晶組織/殘留Ni箔/低熔共晶組織/TC4，固液之間的元素擴散激活能較固相擴散激活能E小很多，依據公式(1)可知，元素擴散劇烈進行，最終使固相中間層完全以Ti-Ni共晶液相組織的形式存在，在擴散冷卻過程中最終形成如圖1d、圖1e所示的組織狀態，反應層較厚，但由于液相流動不佳焊縫中心有孔隙缺陷。當焊接溫度達970 ℃瞬間液相擴散反應完全，焊縫中Ni含量降低，焊縫成分逐漸均勻，焊縫形成跨界面的聯生晶粒。當焊接溫度達980 ℃時焊縫成分更加均勻，但焊縫組織更加粗大，TC4基體組織也開始明顯長大，如圖1f、圖1g、圖1h所示。綜上所述，確定TC4鈦合金擴散焊焊接溫度為970 ℃。

2.3 焊接溫度對接頭力學性能的影響

為了研究焊接溫度對擴散焊接頭力學性能的影響，對不同焊接溫度參數下獲得的擴散焊接頭進行拉伸試驗，拉伸數據如圖2所示，拉伸試棒如圖3所示。從圖2可以看出，隨著焊接溫度的升高，接頭的抗拉強度按不同梯度逐步增高；當焊接溫度在920～940 ℃時，界面擴散過程以固相擴散為主，擴散反應較慢，抗拉強度較低，遠低于TC4母材的抗拉強度；當焊接溫度在940～960 ℃時，界面擴散兼容固相擴散和液相擴散，接頭處擴散不充分，均存在擴散孔洞；當焊接溫度為960 ℃時，抗拉強度能達到729 MPa；當焊接溫度在970～980 ℃時，界面擴散以液相擴散為主，接頭處擴散充分，不存在擴散孔洞；當焊接溫度為970 ℃時，抗拉強度能達到946 MPa；當焊接溫度為980 ℃時，抗拉強度能達到965 MPa，在該階段，由于擴散反應已經較充分，隨著焊接溫度的升高，抗拉強度提升趨勢逐步變緩。

圖2 焊接溫度對接頭抗拉強度的影響

圖3 拉伸試件圖

3 結論

(1)采用Ni箔中間層可以實現先固相后液相的TC4液相界面擴散焊，基于Ni-Ti共晶點及TC4材料的相變溫度點選擇焊接溫度，最終選擇為970 ℃。

(2)當焊接溫度為970 ℃，保溫時間為120 min，焊接壓力為0.1 MPa時，擴散接頭抗拉強度達到946 MPa，接近母材抗拉強度。