TiAl金属间化合物与Ti合金的真空钎焊自动喷枪

TiAl金属间化合物与Ti合金的真空钎焊

TiAl金属间化合物与Ti合金的真空钎焊 2011年12月04日 来源： 摘要：本文采用Ag-Cu钎料与Ti-Cr-Ni-Cu钎料，对TiAl与Ti合金的进行了真空钎焊连接试验，主要研究了采用两种钎料时的界面反应以及连接温度对界面组织及性能的影响。研究发现，采用Ag-Cu钎料时界面结构为：Ti/ Ti(Cu,Al)2 /TiCux+Ag(s,s)/ Ag(s,s) /Ti(Cu,Al)2 /TiAl，当钎焊温度T=1223K，保温时间t=10min时接头的剪切强度达到223.3MPa；采用Ti-Cr-Ni-Cu钎料时在界面出现了Ti2Ni，Ti(Cu,Al)2等多种金属间化合物，当钎焊温度T=1123K，保温时间为t=10min时接头的剪切强度达到139.97MPa。 关键词：钎焊，TiAl，Ti合金，Ag-Cu钎料，Ti-Cr-Ni-Cu钎料0 前言TiAl金属间化合物具有比重轻（约为3.8g/cm3）、比强度高、刚性好、高温力学性能优异等优点，被认为是一种理想的高温结构材料[1]。而实际应用中往往要遇到TiAl的连接的问题，如国内某型号就要求实现TiAl与Ti合金的连接。关于TiAl的连接国内外已经进行了一定程度的研究，采用的方法主要包括：扩散连接[2,3]，钎焊[4]，电子束焊[5]，红外连接[6]等。本文采用了在连接TiAl时效果较好的钎焊方法[7]，针对TiAl与Ti合金的真空钎焊连接问题进行了初步的研究。1 试验材料及方法试验选用TiAl金属间化合物与Ti合金作为母材，其中Ti合金牌号为TC4，TiAl为铸造组织，其成分如表1所示。

表1 TiAl金属间化合物的成分（at%）

采用了Ag-Cu钎料和Ti-Cr-Ni-Cu钎料进行试验，两种钎料均为箔状。其中Ag-Cu钎料化学成分为Ag-Cu28（wt%），其熔化温度为779℃，钎料本身抗拉强度为343MPa；其中Ti-Zr-Ni-Cu钎料化学成分为Ti-Zr35-Ni15-Cu15（wt%），其熔化温度为830~850℃。钎焊试验采用搭接接头，将TiAl与Ti合金分别加工成长为40mm，宽为10mm，厚度为2mm的片状试件，将待焊面用砂纸磨光，最后用丙酮清洗以去除表面油污。将准备好的材料按TiAl/钎料/Ti的形式装配。本试验在辐射加热真空扩散焊机内进行，其真空度为1.33×10-6torr。采用扫描电镜、电子探针和X射线衍射等方法分析连接界面，焊后采用剪切试验评价接头的强度。将待测接头放在特制的卡具中在INSTRON MODEL1186电子万能试验机上进行剪切试验，试验时加载速度为0.5mm/min。2 试验结果及分析2.1 采用Ag-Cu钎料钎焊TiAl与Ti合金首先对Ag-Cu钎料进行了润湿试验发现，Ag-Cu钎料对TiAl及Ti合金均具有较好的润湿性。并且随着钎焊温度的提高和保温时间的延长，钎料对母材的润湿效果有所改善。但是钎焊温度受到两侧母材熔点的限制而不能无限提高。对连接界面微观组织进行分析，图1为采用Ag-Cu钎料钎焊TiAl与Ti合金时的接头形貌照片。图1-a)为连接温度为1173K，保温时间为10min时的接头背散射照片，连接接头可分为三个不同的组织微区，其中靠近TiAl侧的Ⅰ层和靠近Ti侧的Ⅲ层为两条灰黑色长带，中间的Ⅱ层为颜色相对较浅的白色区域，在其中存在一定量的花纹结构。结合元素的线扫描曲线与元素的面分布情况可知：Ⅰ层和Ⅲ层均为Ti(Cu,Al)2金属间化合物层，中间的Ⅱ层主要为Ag-Cu共晶结构，但是成分与原始的钎料稍微有所差别，说明此时两侧母材对中间钎料仍存在一定程度的作用。Ti合金中Ti元素以单质形式存在，且相对含量较高，界面反应过程中Ti元素的起主要作用，Ti合金中Ti比较容易扩散到较远的距离发生界面反应。对比Ⅰ层和Ⅲ层可以发现，Ⅰ层的厚度比Ⅲ层要厚。

图1 不同连接温度下TiAl/Ag-Cu/Ti接头界面结构（t=10min）

提高连接温度至1223K，界面组织如图1-b)所示，可以发现此时界面结构发生的明显的变化，其中低温时的Ⅰ层和Ⅲ层仍然存在，而中间的Ⅱ层变为两层结构，称为Ⅳ层和Ⅴ层。对其进行成分分析可知，此时Ⅰ层和Ⅲ层仍然为金属间化合物Ti(Cu,Al)2层，Ⅴ层中Ag元素含量相对较高，认为此处主要生成了Ag基固溶体，在其中的灰黑色颗粒为富Cu相；而Ⅳ层为Ti-Cu系金属间化合物在Ag基固溶体中弥散分布而形成的。通过对不同温度下的界面结构进行对比可以发现，当连接温度较低时，母材与钎料中的各原子活动能力均比较差，这样只在钎料与两侧母材的接触面附近发生反应生成了金属间化合物层，中间的残余钎料比较多，反应进行的不完全；随着连接温度的升高，原子活性增加，这样能够发生比较充分的界面反应，界面处的金属间化合物层增厚，大部分钎料参与反应后，界面结构便会发生变化。Ti合金中Ti元素相对含量高且以单质形式存在，而反应体系中的Ti元素非常活泼，这样Ti合金母材中的Ti便会与钎料中的Cu等发生反应，在Ⅳ层中形成了一定量的Ti-Cu系金属间化合物，Ti元素的扩散仍然只能达到一定的距离所以便形成了Ⅴ层。若继续增大工艺规范，直至接头中Ti元素的扩散非常均匀，则Ⅴ层将消失而在Ⅰ层和Ⅲ层之间全部是类似于Ⅳ层的反应产物。表2为不同连接温度下钎焊接头的室温剪切强度测试结果。从表中可以看出，连接温度对剪切强度的影响是非常显著的，这是由于连接强度最终是由连接接头的界面结构决定的，而不同的温度下界面组织存在较大的差异。根据对剪切试件断口的能谱分析和X射线衍射分析可以发现，断裂主要发生在靠近Ti合金侧的金属间化合物层内。当连接温度较低时，界面反应不充分，连接效果不理想；随着连接温度的升高，界面反应趋于完全，此时生成的金属间化合物层比较薄，存在着一定量的金属间化合物弥散分布，对接头有一定的强化作用；若连接温度过高，则生成厚大的金属间化合物层，断裂很容易发生在该金属间化合物层内，连接强度降低。

表2 不同连接温度下接头剪切强度结果（t=10min）

图2为固定连接时间为10min时，不同连接温度的接头剪切断口照片。从图2-a)中可以看出该温度下断裂主要发生在两个区域中，分别将其命名为A区和B区。其中A区为明显的脆性断裂，B区呈现出一定的混合型断裂迹象。通过对其进行能谱分析及X射线衍射分析可知，A区主要断裂于Ti(Cu,Al)2金属间化合物层内，B区断裂于钎料层内。图3-b)完全断裂于同一区域内，断口为脆性断口，断裂完全发生于金属间化合物层内，该工艺参数下剪切强度下降。

图2 不同连接温度下TiAl/Ag-Cu/Ti断口照片（t=10min）

2.2 采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料钎焊TiAl与Ti合金首先也对Ti-Zr-Ni-Cu钎料进行了润湿试验，试验发现，该钎料对TiAl及Ti合金均具有较好的润湿性。并且随着钎焊温度的提高，钎料对母材的润湿效果有所提高。由于钎料中含有活性元素Ti而使该钎料比Ag-Cu钎料的润湿性好。采用扫描电镜、电子探针和X射线衍射等方法分析连接界面，图3为不同温度下连接界面的背散射照片。从照片上可以发现，采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料时连接界面结合紧密，界面上各元素均发生了一定程度的扩散，实现了一定程度的连接。

图3 不同连接温度下TiAl/Ti-Zr-Ni-Cu/Ti接头界面结构（t=10min）

图3-a) 是连接温度为1173K，连接时间为10min时接头形貌照片。在此温度下界面可分为三层结构，分别将其命名为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层。其中Ⅰ层为浅灰色的花纹结构，Ⅱ层为弥散分布的深灰色颗粒状组织，Ⅲ层为白色的层状结构。对其进行成分分析，可以发现Ⅰ层主要含有Ti，Ni，Cu三种元素，其中尤其是Ti元素含量相对于钎料的原始组织有了明显的增加，说明在这种温度下母材中的Ti元素比较活泼，此时钎料处于液态，所以能够扩散到非常远的距离而发生界面反应，而且对应于Ⅰ层的这三种元素的线扫描曲线上均出现了扩散平台，说明Ⅰ层主要含有Ti，Ni，Cu这三种元素组成的金属间化合物，通过X射线衍射分析发现了其中含有Ti2Ni金属间化合物；Ⅲ层含有Ti，Zr，Ni，Cu四种元素且含量与原始钎料成分基本相当，说明Ⅱ层为未参与反应的剩余钎料；Ⅱ层主要为TiAl3金属间化合物，这是由母材中的Ti元素向钎料中扩散，从而导致TiAl母材在高温下发生反应而在一定范围内Ti元素含量下降从而形成了TiAl3反应层。图3-b)是连接温度为1223K，连接时间为10min时接头形貌照片。可以发现，连接界面可分为四个不同的微区，分别将其命名为Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ，Ⅴ层。其中Ⅰ层为浅灰色的花纹结构，Ⅱ层为一些弥散分布的深灰色颗粒状组织，Ⅳ层为一条白亮的条带结构，Ⅴ层为白亮的枝晶状结构。对其进行成分分析可以发现，Ⅰ层主要含有Ti，Ni，Cu三种元素，元素含量及线扫描曲线与低温时基本相同，说明Ⅰ层仍为Ti，Ni，Cu这三种元素组成的金属间化合物，只是由于温度的升高而导致反应层厚度增加；Ⅳ层为明显的金属间化合物反应层，通过分析认为该层为Ti(Cu,Al)2金属间化合物，该反应层在低温时并未出现；Ⅱ层弥散分布的颗粒状金属间化合物同低温时类似仍为TiAl3；Ⅴ层的枝晶组织中Zr元素含量非常高，而由Zr元素的相图可知Zr可以与Ni，Cu等发生较为复杂的反应，参考能谱分析结果认为该层为富Zr相，它可能由一些含有Zr的化合物组成。表3为固定连接时间不变，不同连接温度下接头的室温剪切强度分析结果。从表中可以发现，连接温度对剪切强度的影响比较明显。当连接温度的较高时，界面上各元素的扩散能力均有所提高，界面反应充分，但是此钎料含有的活性元素多，所以生成了大量的金属间化合物，这种脆硬相对强度的削弱效果及其明显；而在较低的温度下，钎料与母材之间的反应不充分，但是此种钎料活性很强，因此也能实现一定程度的连接，残余钎料较多但钎料本身性能比较理想，因此此时强度较高。综上认为当采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料时，不宜采用较高的连接温度，只要连接温度稍高于钎料熔点即可。

表3 不同连接温度下接头剪切强度结果（t=10min）

3．结论本文采用Ag-Cu钎料与Ti-Cr-Ni-Cu钎料，对TiAl与Ti合金的进行了真空钎焊连接试验，结果表明：（1）采用这两种钎料均能实现TiAl与Ti合金的钎焊连接。（2）采用Ag-Cu钎料时界面结构为：Ti/Ti(Cu,Al)2/TiCux+Ag(s,s)/Ag(s,s)/Ti(Cu,Al)2/TiAl，当连接参数为：钎焊温度T=1223K，保温时间为t=10min时接头的剪切强度达到223.3MPa，此时断裂发生于钎料与金属间化合物层之间。（3）采用Ti-Cr-Ni-Cu钎料时在界面出现了Ti2Ni，Ti(Cu,Al)2，TiAl3等多种金属间化合物，随连接温度的升高连接质量下降，当连接参数为：钎焊温度T=1123K，保温时间为t=10min时接头的剪切强度达到139.97MPa。参考文献[1] 刘会杰, 冯吉才. TiAl基合金连接技术的研究进展[J]. 焊接, 2001(4): 6~10.[2] G.Cam,H.Clemens,R.Gerling,et al. Diffusion bonding of γ-TiAl sheets. Intermetallics, 1999(7): 1021-1031[3] 贺跃辉，黄伯云，王彬，等. TiAl基合金固态焊接.金属学报，1998，34(11): 1167-1172.[4] Toshimitsu Tetsui. Effects of brazing filler on properties of brazed joints between TiAl and metallic materials. Intermetallics,2001(9): 253-260. [5] Threadgill, P.L., Dance, B.G.I., Pratt, A.L. Electron beam diffusion bonding of gamma titanium aluminide.TMS Annual Meeting, 2001: 303-314.[6] S.J.LEE, S.K.WU, R.Y.LIN. Infrared Joining of TiAl Intermetallics Using Ti-15Cr-15Ni Foil. The Microstucture Morphologies of Joint Interfaces. Acta Mater., 1998, 46(4): 1283~1295.[7] Liu, Huijie , Feng, Jicai .Vacuum brazing TiAl-based alloy to 40Cr steel using Ag-Cu-Zn filler metal. Journal of Materials Science Letters, 2002, 21(1): 9-10.(end)

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