淮军锋， 郭万林， 李天文

(北京航空材料研究院，北京100095)

TA15是一种高铝当量近α型钛合金，具有良好的热稳定性，长时间工作温度可达到500℃［1］;它具有良好的焊接性能和工艺塑性，可制成锻件及多种规格型材，已大量用于制造飞机和发动机承力结构件，尤其是焊接的承力构件［2～5］，有关TA15钛合金的熔焊已有较深入的研究;钎焊研究相对比较少，许多钛合金的复杂件和精密件的出现，要求对其钎焊进行研究。本工作针对TA15钛合金，选用钛基非晶箔带钎料采用不同工艺对该材料进行了连接。通过扫描电镜与能谱等手段，分析了钎焊接头界面的元素分布及钎焊接头的组织;同时对真空钎焊接头进行了力学性能测试和断口分析。

1 实验材料与方法

1.1 基体材料

实验用基体材料为TA15合金，加工状态为轧制后热处理状态，其化学成分如表1所示。

1.2 钎焊材料

目前用于钛合金基体材料的钎焊材料体系较多，硬钎焊用钎料有银基、铝基、钛基和钯基等［6，7］。考虑到钎焊接头的工作环境和接头强度等方面的要求，常规的银基、铝基和钯基等体系的钎焊材料均不能很好地满足使用要求，鉴于此，选用了一种钛基钎料作为目标钎料，因为钛基钎料的钎焊接头的强度高、耐热性、耐蚀性均较好，可适用于较恶劣的工作环境［7］。钛基钎料有 Ti-Zr-Be，Ti-Cu-Ni，Ti-Zr-Cu-Ni等体系，因为Ti-Zr-Be，Ti-Cu-Ni体系钎料的钎焊温度偏高，钎焊热循环会对基体材料的综合性能产生不利影响;本研究选用钛基钎料为Ti-Zr-Cu-Ni体系的Ti-21Cu-13Zr-9Ni(质量分数/%，下同)，在氩气保护下熔炼出钎料合金棒，将其装入石英坩埚采用喷射—激冷凝固方法制备出非晶态箔带，厚度约为30μm。

表1 TA15钛合金化学成分［4］(质量分数/%)Table 1 Compositions of titanium alloy TA15(mass fraction/%)

1.3 钎焊工艺

将待焊接头的钎焊表面经过研磨、清洗、去除表面氧化膜和油污，按技术要求将钎料和试样装配好后入炉。采用两种工艺参数进行实验。1#真空钎焊工艺参数:钎焊温度930℃，保温时间15 min，真空度不低于1×10-2Pa;2#真空钎焊+扩散处理工艺参数:1#+930℃/60 min扩散处理，真空压强低于1 ×10-2Pa。

2 实验结果与分析

2.1 接头显微组织分析

图1是两种工艺钎缝组织的背散射照片。

在钛合金中，锆与钛是最相似的元素，有相近的熔点，也有同素异晶现象，对钛的同素异晶转变温度影响小，钛的α和β晶型与锆的相应晶型能够组成连续的固溶体。铜、镍均属于钛合金β相稳定元素，可降低钛的同素异晶转变温度［8］。钎料 Ti-21Cu-13Zr-9Ni中铜、镍的含量总合约为30%，虽然钎焊温度是930℃，低于TA15钛合金的β相转变温度(990～1050℃)，但由于钎料中铜、镍的作用使近缝区的基体β相转变温度降低。从图1a钎缝背散射组织可以看出:焊接过程中基体上扩散层区域的相发生转变，球状α相消失，降温冷却的过程中有片状α相生成并向钎缝中生长。基体的原始界面已经全部弱化，钎缝整体宽度约为125μm，在基体上存在一个约30μm的扩散层，扩散层的存在说明钎料与基体形成了有效的冶金结合;图1b为钎焊后扩散处理的钎缝背散射组织，钎缝整体宽度约为190μm，钎缝组织有明显的变化，完全由片状组织组成;图1c、图1d分别是图1a、图1b钎缝中心局部的放大照片，根据图1中不同工艺的焊接接头的组织对比，钎焊接头的组织有明显的变化，钎焊后在焊接温度下进行扩散处理，可以使钎缝组织趋于稳定的片状组织。

图1 TA15钛合金钎缝微观组织形貌 (a)1#工艺:930℃/15 min;(b)2#工艺:1#+930℃/60 min扩散处理; (c)1#工艺钎缝中心部分高倍;(d)2#工艺钎缝中心部分高倍Fig.1 Microstructure of brazed TA15 alloy joint(SEM)(a)1#process:930℃/15 min;(b)2#process:1#+930℃/60 min; (c)the middle parts of 1#process sample;(d)the middle parts of 2#process sample

2.2 界面元素分布情况分析

表2是图1中所标记钎缝中不同区域的能谱分析数据，标记1，5为钎缝中面扫描能谱分析区域，标记5中Ti，Al，V，Mo元素的含量明显高于标记1中对应元素的含量，而Ni，Cu，Zr元素的含量明显低于标记1中相应元素的含量;因为2#工艺是在1#工艺上进行了扩散处理，所以相对1#工艺其钎缝区内基体富含的元素Ti，Al，V，Mo浓度较高，钎料富含的元素Ni，Cu，Zr浓度较低。标记2，3，4，6，7为钎缝中不同相能谱分析区域，从表3中可以看出属于β相稳定元素V，Ni，Cu富集于焊缝中白色β相中，属于α相稳定元素Al富集于焊缝中黑色α相中，Zr属于中性元素，所以在两相中的含量相当。

图2是真空钎焊与扩散处理工艺钎焊界面各元素分布图，扫描长度为钎缝间隙的1.1倍，线扫描区域为图1中标记8处，从图2可以看出，基体材料中的Ti，V，Al元素已经大量地向钎缝中扩散;Ti，V元素分布较均匀，Al元素在钎缝与基体中的含量已经没有明显的“台阶性”变化;钎料中主成分元素Zr，Ni，Cu和基体材料作用明显，虽然锆与钛是最相似的元素，但由于Zr元素原子半径较大，较难通过热运动而扩散，因此在钎缝中仍较多的存留，但是尖锐的“台阶”状过渡明显消弱;Ni元素和Cu元素在钎缝中的扩散分布比较相近;图2中Ni，Cu元素的峰值频起与项扫描通过两相(α相和β相)区有关，Ni，Cu元素大量富集于β相中。根据Cu，Zr，Ni界面分布图，结合表3中微区1对应的焊缝中间区域面扫描的元素含量中Cu，Zr，Ni含量之间的比值和钎料成分中Cu，Zr，Ni含量之间的比值对比可以看出，钎料主成分中Cu，Zr，Ni三个元素在钎接过程中的扩散行为比较，Cu元素扩散速率较慢，Zr元素扩散速率居中，Ni元素扩散速率较快，符合文献［9］中给出的Cu，Zr，Ni三个元素扩散规律。从焊缝总体来看扩散效果比较理想。

表2 图1钎缝中不同微区的化学成分(质量分数/%)Table 2 EDS analysis results of the different micro-zones in the brazing joint shown in Fig.1(mass fraction/%)

图2 经扩散处理后的TA15合金钎焊接头合金元素分布(扫描区域如图1中标记8处)Fig.2 Element distribution of diffusion treated brazed TA15 alloy joint

2.3 钎焊接头的力学性能

采用两种工艺，钎焊出了完好的对接接头，加工成标准的拉伸试样对焊接接头进行了力学性能测试，测试结果如表3所示。

1#工艺钎焊的接头强度相对比较低，但其接头的室温拉伸强度已达到基体材料拉伸强度的93%，高温拉伸强度达到基体材料拉伸强度的92%;

2#工艺钎焊的接头强度相对比较高，已经等强于焊接工艺热循环后的基体材料强度，其室温拉伸强度为基体材料拉伸强度的98%，高温拉伸强度为基体材料拉伸强度的94%，真空钎焊接头通过扩散处理，钎缝区域元素均匀化，钎缝组织趋于稳定的片状组织，明显改善了接头强度，能够很好满足TA15钛合金连接强度的技术指标。

表3 TA15合金及钎焊接头力学性能Table 3 Mechanical properties of brazed TA15 alloy joints

2.4 钎焊接头的断口分析

采取宏观和微观分析方法，对TA15钛合金不同钎焊工艺焊接的接头断口进行分析。图3是不同工艺断裂试样的宏观照片，图3a是1#工艺真空钎焊接头断裂试样的照片，宏观断口没有明显的塑性变形，断口比较平齐，室温高温拉伸试样都断在钎缝处，表4中的断后伸长率δ5比较低;图3b是2#工艺真空钎焊后扩散处理的接头断裂试样的照片，宏观断口有明显的塑性变形，室温高温拉伸试样都韧断在基体上，表4中的断后伸长率δ5比较高，接近于集体断后伸长率。

图3 钎焊接头断裂试样 (a)1#工艺断裂试样;(b)2#工艺断裂试样Fig.3 Fracture photographs of brazing joint (a)photographs of 1#process;(b)photographs of 2#process

图4是1#工艺真空钎焊的形貌。图4a是室温拉伸后断口的低倍形貌，断口的裂纹源位于上方比较亮的白色区域，断口从上往下有放射状的痕迹，图4b是图4a的高倍形貌照片，从图4b的微观形貌可以看出断裂界面有解理台阶，准解理面——许多小解理面没有严格地沿着一定的晶体学平面进行，而最后的撕裂则表现为微小的撕裂棱;根据断口的宏观和微观形貌断定1#工艺真空钎焊接头室温断裂特征为脆性断裂。

图41 #工艺钎焊接头断口形貌 (a)断口的低倍形貌;(b)断口的微观形貌Fig.4 Fracture surface of 1#process joint (a)macrostructure of fracture surface;(b)microstructure of fracture surface

3 结论

(1)采用Ti-21Cu-13Zr-9Ni钎料钎焊TA15钛合金合理可行。

(2)采用Ti-21Cu-13Zr-9Ni钎料钎焊TA15钛合金的钎焊接头，通过930℃/60 min扩散处理后，钎焊接头室温和高温抗拉强度分别达到母材的98%和94%。

(3)采用Ti-21Cu-13Zr-9Ni钎料钎焊的TA15钛合金钎焊接头脆断于钎缝，通过930℃/60 min扩散处理后的接头韧断于基体。

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