钛热交换器的真空钎焊

2015-05-31中航工业北京航空材料研究院

航空制造技术 2015年17期

中航工业北京航空材料研究院梁海

钛合金在现代先进的航空和航天结构中已发展成为重要的结构材料，钛合金结构选材的用量呈现了迅速上升的趋势。目前在美国先进的F119型第四代航空喷气发动机上，钛合金的用量已达到了结构总重的1/3，而且预计在下一代涡轮发动机和飞机结构中钛的用量将继续增长。已知钛合金钎焊结构可广泛应用于飞机的大芯格蜂窝夹层机翼、机翼和方向舵的加强肋、生命保障和防护服的板-翅式热交换器、着陆反推格栅，导管等，涡轮发动机的宽弦中空风扇叶片、压气机导向器和扩散器、进气导向器等，以及火箭发动机的燃烧室的安装环等。而新型的TiAl和TMC材料的钎焊结构可用于先进涡轮发动机的工作温度600℃～1000℃的低压涡轮、燃烧室和喷口[1]。

目前，钛及钛合金的钎焊用钎料基本上有2类[1-3]，一类是低温的Al基和Ag基钎料；另一类是高温的Ti(Zr)-Cu-Ni基和Cu基钎料。前者低温钎料的钎焊接头的缺点是耐蚀性和高温强度低；后者高温钎料的钎焊接头的高温强度和耐蚀性好，是钛钎焊的最佳钎料。传统的热交换器主要为铝、铜或不锈钢材质的钎焊结构，而新型的钛热交换器在减重、耐蚀性和高温强度性能上具有明显优势，航空、航天、航海是其应用的最佳领域。钛热交换器结构复杂，钎缝很多，钎着率要求高，钎缝致密性要求高，因此对钎焊工艺提出了很高要求。本文研究了钛热交换器的真空钎焊工艺。

1 试验条件和方法

1.1 材料

热交换器的材质为TA2, 结构如图1所示。热交换器由本体和盖板2部分组成，盖板放入本体的方形槽后与本体的筋形成T形钎焊接头，钎焊后形成密封的结构，筋宽2mm，盖板厚1.9mm。

图1 钛热交换器结构Fig.1 Configuration of Ti heat exchanger

工艺试片材质为TA2，厚度组合：1.5mm+1.5mm,0.1mm+1.5mm和0.1mm+0.5mm（表面镀Cu），模拟热交换器的钎焊接头。

所用钎料：（1）Ti-Zr-Cu-Ni系Ti基钎料,钎焊温度范围910～960℃，以粉状和0.05～0.07mm厚的急冷非晶箔状形式使用；（2）纯Cu钎料，以0.05mm厚冷轧箔和10μm电镀层形式使用。

1.2 设备

真空钎焊采用北京航空材料研究院的真空钎焊/扩散焊炉，均温区尺寸φ300mm×400mm，使用温度1230℃，热态真空度优于2×10-2Pa。

钎焊接头的成分分析采用北京航空材料研究院的JEOL JXA-8100电子探针仪和CAM SCAN3100扫描电镜和OXFORD X-MAX能谱仪。

1.3 钎焊接头质量检验

（1）金相检查；（2）氦质谱致密性检查；（3）耐压强度试验,在内腔压力0.6MPa下,保压5min后，无残余变形。

2 钎焊工艺试验

2.1 热交换器钎焊装配

纯Cu钎料箔清洗后用储能点焊机定位点焊到热交换器本体的筋上，盖板镶入到本体的槽中，再在盖板侧面与本体的钎焊间隙中加入钎料。组合件放到钎焊卡具上压紧，以使钎料压紧在钎焊间隙中，保证每条钎缝形成预定的钎焊间隙，以得到高的钎着率和气密性。为防止粘连，卡具与钛热交换器间用阻焊剂隔离。由于钎焊件大，不便于用钎焊炉的液压杆均匀加压，因此用带紧固螺钉的不锈钢压板多点均匀加压。

2.2 钎焊工艺参数

钎焊工艺参数见表1。对不同的钎料和钎料使用形式，钎焊间隙，不同的钎焊温度和时间进行了试验和比较。

表1 钎焊工艺参数

3 试验结果和分析

3.1 显微组织

图2 为用Ti基钎料真空钎焊的TA2纯钛接头组织。图2（a）为粉状钎料，钎焊间隙为0.05mm的组织，经过930℃下30min的钎焊保温后钎缝为等温凝固的共析针状α组织，在钎焊过程中钎料已经完全与母材混合在一起，形成了固溶体组织；图2（b）、（c）为非晶钎料箔/0.05mm厚的组织，经过930℃下30min的钎焊保温后钎缝也为等温凝固的针状α组织，钎缝中的钎料也已经完全与母材混合在一起，形成了固溶体组织，但是在钎焊圆角处的中心仍有少量残留的共晶钎料，并形成了小的缩孔；图2（d）为粉状钎料，钎焊间隙为0.1mm的组织，经过930℃下30min的的钎焊保温后，钎料也已经基本与母材混合在一起，钎缝大部分为等温凝固的针状α组织，钎缝中心可看到凝固的一次枝晶痕迹。钎料共晶组织也已难以看到。

图2 Ti基钎料的TA2纯钛真空钎焊接头组织Fig.2 Microstructure of CP Ti TA2/Ti-Zr-Cu-Ni joints vacuum brazed at 930℃ for 30 minutes

图3为用Cu钎料钎真空钎焊的TA2纯钛接头组织。图3（a）、（b）为镀Cu/0.01mm的组织，经过960℃下60min的钎焊保温后，钎缝中的钎料已经完全与母材混合在一起，钎缝基本成下等温凝固组织，但是在钎焊圆角处仍有残留的共晶钎料，钎焊圆角美观致密；图3（c）、（d）为Cu箔/0.05mm的组织，经过960℃下60min的钎焊保温后钎缝形成了3个组织区，钎缝中心的残留液相凝固区化合物相，宽度大约为50μm，母材与钎料相互溶解的凝固区, 大部分为针状α组织，和钎料向母材的扩散区针状α组织。这说明，在这个工艺条件下，钎料还不能充分从钎缝中扩散出去，钎焊接头会存在一定的脆性。

3.2 钎缝成分分析

为了解Cu箔/0.05mm钎料的钎焊接头组织中元素的分布，用电子探针和能谱仪对钎缝成分做了线扫描分析和相成分分析，线扫描和SEM像见图4。

图3 Cu钎料的TA2纯钛真空钎焊接头组织Fig.3 Microstructure of CP Ti TA2/ Cu joints vacuum brazed at 960℃ for 60 minutes

图4 Cu钎料箔的TA2纯钛真空钎焊接头SEM像Fig.4 SEM image of CP Ti TA2/ Cu foil joints vacuum brazed at 960℃ for 60 minutes

线扫描结果显示，与钎缝两侧的钎料/母材溶解混合凝固区相比钎缝中心区的Cu含量高，Ti含量低。SEM能谱分析显示，图4中A相的成分接近Ti2Cu，应为Ti2Cu相；B相的成分接近TiCu，应为TiCu相；C相和D相都为高Ti低Cu固溶体相，应为针状α+α组织。从图5的Ti-Cu二元合金相图可知，用Cu作钎料在960℃进行钎焊，是利用了Ti-Cu的共晶反应：

图5 Ti-Cu二元合金相图Fig.5 Ti-Cu Binary equilibrium diagram

L(液相

当钎焊时高温扩散形成的共晶液相，没能通过扩散和相互溶解，使共晶点成分明显改变，穿越Ti2Cu成分点向富Ti端靠近，那么，在钎缝中心必然会形成Ti2Cu+TiCu的化合物组织。因此，降低接头间隙，减少钎料用量，延长保温时间，对提高接头塑形是必不可少的。

3.3 热交换器的钎焊

根据上述试验结果，考虑到实际零件为内腔T形接头，粉状钎料不易使用，必须要使用箔状钎料形式，但是国内Ti基非晶箔状钎料的价格昂贵，每公斤大约要4～5万元，而且现货钎料难得，需要定做，周期长。为满足零件的钎焊要求，采用Cu作钎料在960℃/60min条件下的真空工艺方案，对图1中所示的热交换器进行真空钎焊。经实体零件解剖，钎缝致密，钎着率100%,见图1。TA2的α→β转变温度为885～900℃[4]，在960℃进行钎焊，母材晶粒有所长大。钎焊的热交换器捡漏和耐压试验，满足技术要求。