TiAl合金釬焊研究進展

關洪星，楊海瑛,毛小南，李 磊

(1.東北大學, 遼寧 沈陽 110819) (2.西北有色金屬研究院, 陜西 西安 710016)

以Ti3Al、γ-TiAl為典型代表的TiAl系合金，具有較高的比強度、比剛度和優良的抗蠕變、抗疲勞性能，并且其密度僅為傳統鎳基高溫合金的一半，有望取代鎳基高溫合金在航空航天領域的應用[1]。此外，與鈦合金相比，TiAl系合金具有更好的高溫機械性能和抗氧化性能、更大的剛度以及更高的使用溫度[2],可以在650～850 ℃下長期服役，用其代替鈦合金可以提高零部件的使用溫度。為了實現TiAl系合金的工程應用，需要解決TiAl系合金自身與異種材料的連接問題。TiAl合金的焊接技術主要有熔焊、擴散焊和釬焊。Hirose等[3]對Ti-46Al-2Mo合金進行激光焊接，發現焊縫開裂與冷卻速度密切相關，冷卻速度越大，開裂的可能性越大。Chaturvedi等[4]采用電子束焊研究了Ti-45Al-2Nb-2Mn+0.8TiB2合金的可焊性。結果表明，當焊接工件受到較多的約束時，相變的作用被焊縫約束引起的應力所掩蓋，從而使焊接變得非常困難；當焊接工件受到較少的約束時，選擇合適的焊接冷卻速度，使α相完全分解，可以獲得令人滿意的焊接效果。Cao等[5]提出，TiAl合金擴散焊工藝復雜、熱循環時間長，在一定程度上限制了其應用。真空釬焊具有無雜質氣體污染、焊件變形小、對母材力學性能影響小、可以連接復雜結構[6]、可同時焊接大量工件等優點，因此真空釬焊被認為是連接TiAl合金的理想工藝[7]。本文總結了TiAl合金的發展歷程、組織轉變過程及TiAl合金釬焊的研究進展，以供后續研究人員參考借鑒。

1 TiAl合金

1.1 TiAl合金的發展

自20世紀90年代中期以來，人們對TiAl合金的研究興趣日益增加[8]。TiAl合金具有耐腐蝕、耐熱、耐高溫蠕變、高硬度、低密度和抗氧化性高的特點，能夠有效克服常規高溫鈦合金在600～1000 ℃這一溫度區間內抗氧化性差和鎳基高溫合金密度大的缺點，因而在航空發動機領域有著廣闊的應用前景。

到目前為止，TiAl合金的發展歷程主要歷經了4代[9]。20世紀50年代初，部分美國學者對TiAl合金進行了相關研究，但因其塑性較低而放棄。第一代TiAl合金是在20世紀70年代產生的，它的特點是Al含量高、合金元素含量低，主要代表為室溫塑性可達2%的Ti-48Al-1V-0.3C合金。美國在20世紀80年代開發了Ti-48Al-2Cr-2Nb和Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol%TiB2合金，即第二代TiAl合金。第二代TiAl合金的綜合性能明顯優于第一代。第三代TiAl合金以高含量的第3組元為特點，主要包括Nb、Ta、W、V、B、C、Cr、Mn、Mo等元素。林均品等[10]首先提出高Nb-TiAl合金，并認為增加Nb含量可以顯著提高TiAl合金的高溫抗氧化性能。此外，高含量的第3組元能夠產生固溶強化作用，明顯提高TiAl合金的抗蠕變性能以及高溫力學性能。隨著航空航天技術的高速發展，德國開發了第四代TiAl合金——Ti-47.5Al-5.5Nb-0.5W合金[11],主要應用于航空發動機、渦輪葉片及汽車發動機增壓器渦輪等。

1.2 TiAl合金的組織

經不同條件熱處理后，TiAl合金可得到全片層組織(FL)、近片層組織(NL)、雙態組織(DP)、近γ組織(NG)4種不同的典型顯微組織，如圖1所示[12-13]。表1為TiAl合金熱處理溫度與顯微組織的關系。

圖1 TiAl合金的4種典型組織[12-13]Fig.1 Four typical microstructures of TiAl alloy：(a,b) full lamellar；(c,d) nearly lamellar； (e,f) duplex； (g,h) near γ

表1 TiAl合金熱處理溫度與顯微組織的關系

2 TiAl合金釬焊

2.1 釬料種類

用來釬焊TiAl合金的釬料主要分為鈦基、鋁基和銀基三大類。鈦基釬料主要包括Ti-Cu、Ti-Cu-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni、Ti-Ni、Ti-Zr-Cu-Ni-Co-Mo等，該類釬料具有很高的焊接強度。銀基釬料主要包括純銀、銀銅共晶釬料等，這類釬料既可以用于TiAl合金自身釬焊，也可以用于TiAl合金與其他材料的釬焊，焊接接頭強度較高。鋁基釬料主要用于TiAl合金自身釬焊，與鈦基和銀基釬料相比，焊接接頭強度較低。表2給出了近年來TiAl合金釬焊所使用的釬料。

2.2 工藝參數對接頭組織性能的影響

釬焊工藝參數(釬焊溫度、保溫時間)是影響焊接接頭質量的重要因素，合理的工藝參數是獲得高質量焊接接頭的關鍵。Song等[17]采用Ti-28Ni共晶釬料在1100 ℃下釬焊高Nb含量的TiAl合金(Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y) (at%)，研究了保溫時間對焊接接頭界面微觀結構和連接強度的影響。結果表明，熔融釬料合金中的Ni元素向基體的擴散程度直接影響界面組織；隨著保溫時間的延長，擴散區逐漸增加，焊縫區域逐漸減少。當保溫時間為15 min時，焊接接頭在室溫和600 ℃下的最大剪切強度分別為248.6、166.4 MPa。斷裂分析表明，在剪切試驗過程中，焊接接頭的脆性斷裂更傾向于在連續的金屬間化合物層中產生和擴展。

Song等[18]使用TiNi-V25 (at%)釬料釬焊TiAl合金，得到了強度可靠的焊接接頭。TiAl合金焊接接頭主要由B2相和τ3-Al3NiTi2金屬間化合物組成，其界面形貌隨著釬焊溫度的升高而變化，但相組成沒有發生改變。在釬焊溫度為1220 ℃、保溫時間為10 min的條件下釬焊時，可獲得剪切強度達到196 MPa的良好接頭。斷口分析表明，在剪切試驗過程中形成了河流狀花樣，為解理斷裂；裂紋萌生和擴展始終發生在τ3-Al3NiTi2金屬間化合物含量較高的部位。

Cai等[19]選用Ti-37.5Zr-15Cu-15Ni (wt%)非晶釬料釬焊TiAl合金，系統研究了釬焊溫度和保溫時間對焊接接頭顯微組織和性能的影響。在釬焊溫度910～1010 ℃、保溫時間30 min條件下，焊接接頭的室溫抗拉強度隨釬焊溫度升高呈現出先升高后降低的趨勢。當釬焊溫度為930 ℃時，焊接接頭的室溫抗拉強度隨著釬焊保溫時間的延長而增加。在930 ℃下釬焊60 min時，焊接接頭在室溫下的最大抗拉強度達到468 MPa，所有斷裂面均呈現出典型的脆性解理斷裂特征。

表2 不同TiAl合金釬料的特性

Shiue等[33]使用純Ag釬料對TiAl合金進行感應釬焊。結果表明，焊縫中主要為Ag基固溶體，同時固溶了少量的Ti和Al(Al含量大于Ti含量)，此外還生成了少量Ti3(Al,Ag)金屬間化合物；焊接接頭的室溫抗剪強度較高，達到385 MPa。

宋曉國等[34]使用Ni-34Ti釬料焊接Ti-Al合金，研究了釬焊工藝參數對焊縫質量的影響。結果表明，隨著釬焊溫度的不斷升高，熱影響區(Ⅰ區)寬度逐漸增加，焊縫區(Ⅱ區)寬度逐漸減少，如圖2所示。在1180 ℃保溫10 min的釬焊條件下，Ti-Al合金焊接接頭的室溫抗剪強度最大，為87 MPa；焊接接頭界面組織中無氣孔和裂紋等缺陷，并且整個焊接接頭呈現出對稱特征。

圖2 不同釬焊溫度下TiAl合金焊接接頭的顯微組織[34]Fig.2 Microstructures of TiAl alloy brazed joints at different brazing temperatures: (a) 1140 ℃；(b) 1160 ℃； (c) 1180 ℃； (d) 1200 ℃； (e) 1220 ℃

Dong等[35]使用Ti20Zr20Hf20Cu20Ni20高熵非晶釬料對TiAl合金和Ni基合金進行真空釬焊。結果表明，在高溫條件下形成了環狀固溶體，隨著釬焊溫度的降低，固溶體中析出細小的金屬間化合物，并對焊接接頭產生沉淀強化作用；當釬焊溫度為960 ℃時，焊接接頭的最大剪切強度為319 MPa，接頭斷裂方式是以塑性斷裂為主的混合斷裂，并且固溶相在斷裂過程中承受了大部分的塑性變形。

Kokabi等[36]用Ti34Zr26Ni18Cu15Co7高熵合金釬焊TiAl合金和IN718合金。研究表明，釬焊焊縫中形成了大量的固溶體，從而提高了焊接接頭的力學性能；在釬焊溫度1020 ℃、保溫時間40 min條件下，焊接接頭的最大抗剪強度達到396 MPa。

Sun等[37]使用TiZrHfCoNiCu釬料釬焊TiAl和Ti2AlNb合金，深入研究了釬焊溫度對組織和力學性能的影響。結果表明，在1050～1100 ℃范圍內，焊接接頭的室溫和高溫剪切強度均隨釬焊溫度的升高而增加；在釬焊溫度1100 ℃、保溫時間15 min條件下，焊接接頭的室溫和高溫(650 ℃)剪切強度最大，分別為157、123 MPa。

以上研究表明，釬焊TiAl合金時，釬焊溫度和保溫時間是影響焊接接頭力學性能的重要因素。一般來說，焊接接頭強度隨著釬焊溫度和保溫時間的變化會出現一個最大值，即最佳的釬焊工藝參數。這是因為釬焊溫度、保溫時間從根本上決定了釬焊組織，而組織決定著焊接接頭的最終力學性能。此外，在焊接接頭處往往會形成新的金屬間化合物，產生應力集中，影響焊接接頭的連接質量。近年來，國外學者熱衷于研究高熵合金釬料，其特點是傾向于形成固溶體相，這種多元素混合而成的固溶體相有利于抑制脆性金屬間化合物的形成，尤其是在高溫條件下。此外，高熵合金中的原子擴散緩慢，易形成過飽和相和細小分散的沉淀物，從而增強焊接接頭的力學性能[38]。因此，我國今后也應加強對高熵合金釬料的研發。

3 結 語

釬焊是連接TiAl合金的重要方法之一，在TiAl合金釬焊時要充分考慮焊接接頭金屬間化合物的控制、釬料種類的選擇及釬焊工藝的確定，以便得到最佳性能。目前，針對焊接接頭的性能測試主要是靜態性能(抗拉、剪切)，然而使用過程中零部件的斷裂與高頻疲勞性能的相關性更大，所以對焊接接頭性能的測試應更加側重動態試驗，如疲勞性能、沖擊韌性及蠕變試驗。對于TiAl合金的釬焊試驗，一般使用商用釬料，且試驗結果往往因人而異，差異較大。建議從擴散機理出發，通過熱模擬原子擴散過程進行熱力學和動力學分析，再根據母材成分變化設計專用釬料。另外，還應進一步拓展TiAl合金釬焊技術的應用領域，如海洋工程、生命健康等領域。