TA15钛合金扩散钎焊界面微观组织及性能研究

2015-05-31首都航天机械公司李雪飞邹鹤飞陈志凯岳海金

航空制造技术 2015年17期

首都航天机械公司李雪飞邹鹤飞陈志凯岳海金高晶邢斌王硕

钛合金由于具有高比强度、耐蚀、耐温和耐热等优点，在国内外航空、航天领域得到广泛研究和应用。TA15钛合金是前苏联研制的近α钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，属于高铝当量近α型合金[1]。TA15钛合金在俄罗斯的飞机和发动机上得到大量应用，该合金兼有α型和(α+β)型钛合金的优点，具有良好的热稳定性，长时间工作温度可达500℃。其工艺塑性接近于(α+β)型钛合金，具有较好的加工性能，可以制成薄板、厚板、型材、锻件和模锻件等[2]。另外，TA15钛合金具有良好的焊接性能和工艺塑性，其焊接结构件在航空、航天领域具有良好的应用前景。

扩散钎焊又称瞬间液相扩散焊、过渡液相扩散焊，是一种精密的连接方法，特别适用于异种金属材料、耐热合金和新材料等的连接。其金属学原理由Duvall D S[3]于1974年首次汇总采用相图解释。扩散钎焊兼备扩散焊和钎焊的特点：焊接过程加压、焊接过程有液相形成，并具有以下优点：焊缝组织近于母材组织、接头强度近于母材强度、焊缝高温性能好、焊前表面质量要求较低、能实现精密连接。由于以上特点，扩散钎焊现已广泛应用于航天、航空、核能等各个领域。

本研究以TA15钛合金棒料为试验材料，以钛基非晶箔带作为中间层，对TA15钛合金扩散钎焊接头进行了界面微观组织研究，对扩散钎焊接头的室温和液氮低温力学性能进行了分析。

1 试验材料及方法

本试验所用材料为TA15钛合金圆棒，化学成分如表1所示。扩散钎焊试件规格为φ31 mm×30mm，试件待焊端面需保证光洁度，焊接前试件表面进行酸洗处理。扩散钎焊试棒端面按图1（a）所示对齐装配，按图1（b）所示装配到工装夹具上进行加压。TA15钛合金扩散钎焊中间层选用钛基钎料为Ti-Zr-Cu体系的Ti37.5Zr15Cu10Ni，钎料相关信息如表2所示，扩散钎焊工艺参数如表3所示。

钎焊后，将TA15合金扩散钎焊试件采用机械加工方式制成拉伸试样，分别进行室温和液氮低温拉伸试验，拉伸试件示意图如图2所示。本试验扩散钎焊设备采用WZQH-30真空钎焊炉，采用扫描电镜及能谱分析仪进行界面微观组织、断口形貌及成分分析。

表1 TA15钛合金化学成分（质量分数）%

表2 钛基钎料Type1510

表3 TA15钛合金扩散钎焊工艺参数

图1 TA15钛合金扩散钎焊装配图Fig.1 TA15 alloy diffusion brazing assembly drawing

图2 拉伸试件示意图Fig.2 Diagram of tensile specimen

2 试验结果及分析

2.1 界面微观组织分析

图3为TA15钛合金扩散钎焊界面微观组织形貌。从图3中扩散钎焊接头宏观形貌可以看出，基体的原始界面已经全部弱化，在两侧TA15钛合金之间形成了宽度约为120μm左右的焊缝区域，而焊接前基体之间预置的钎料厚度为30μm，可见扩散钎焊过程中钎料与TA15基体发生了快速的互扩散，这是因为钎料中含有与Ti元素产生强烈作用的Cu、Ni元素，钎焊时会快速扩散到基体金属中与Ti元素形成扩散层[4]。

从焊缝微观组织可以看出，扩散钎焊接头轮廓清晰，焊缝与基体之间存在明显的界面，基体保持原始的球状α相，焊缝组织全部由针状的组织组成，焊缝内部无残留钎料剩余，说明钎料与基体之间发生了充分的互扩散并形成了有效的冶金结合。

2.2 接头力学性能分析

图3 TA15钛合金扩散钎焊界面微观组织形貌Fig.3 Microstructure of TA15 alloy diffusion brazing

将TA15钛合金扩散钎焊试件按图2所示尺寸加工成室温和液氮低温标准拉伸试样，对焊接接头进行了力学性能测试，测试结果如表4所示。从表4中可以看出，扩散钎焊接头室温和液氮低温拉伸试验都断裂在焊缝部位，说明室温和液氮低温下钎焊接头的强度低于基体材料。扩散钎焊接头室温拉伸强度最低为910MPa，TA15钛合金基体的室温拉伸强度为970MPa，可见扩散钎焊接头室温拉伸强度已达到基体材料拉伸强度的93.8%。扩散钎焊接头在液氮低温下的拉伸强度达到1100MPa以上，说明在液氮低温状态下钎焊接头的强度有所提高。但是，液氮低温下拉伸试样的延伸率与室温下相比较低，最低值仅为1.5%，不到室温拉伸试样延伸率最低值的50%，几乎观察不出试样断面收缩量，且室温拉伸试样延伸率远低于基体，所以扩散钎焊接头的塑性变形性能较差。通过对接头力学性能进行分析得出，TA15钛合金采用本文所用的钎料及工艺参数获得的扩散钎焊接头拉伸性能良好，能够很好地满足TA15钛合金连接强度的技术指标。

表4 TA15钛合金及扩散钎焊接头力学性能

2.3 钎焊接头的断口分析

图4为室温、液氮低温拉伸试样断裂后的宏观照片，可以看出，扩散钎焊接头在室温和液氮低温下的宏观断口没有明显的塑性变形，断口比较平齐，室温和液氮低温都断裂在钎焊缝。对比室温和液氮低温断口微观形貌（分别如图5、6所示）发现，室温断口的微观不平度要高于液氮低温断口的不平度，说明了室温拉伸试样的延伸率高于液氮低温的延伸率。同时，在室温和液氮低温断口均能观察到大量条状微观组织，这与焊缝金相微观组织呈针状形貌对应，说明焊缝断裂在焊缝处。根据拉伸试样宏观和微观形貌分析可知，室温和液氮低温断裂特征均为脆性断裂。