TiB_w_TA15钛基复...真空钎焊界面组织及性能研究_叶嘉宝.pdf

TiBw/TA15 钛基复合材料真空钎焊界面组织及性能研究叶嘉宝，李晓红，邓云华，谢志怡，文彦臻(中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室,北京,100024)摘要：采用 Ti-Zr-Cu-Ni 钎料对 TiBw/TA15 钛基复合材料进行真空钎焊，对不同工艺参数下钎焊接头组织及性能进行分析.结果表明，钎焊界面主要由针状的-Ti 相、间隙-Ti 相及 Ti2(Cu,Ni)金属间化合物及 TiBw增强相组成.随着钎焊温度(920 980)和保温时间(60 150 min)的增加，针状-Ti 相占比增加，金属间化合物减少，TiBw分布趋于均匀，接头力学性能增加.但较长的保温时间导致界面宽度增加，使接头整体塑性下降.钎料添加量较少且适宜的情况下，钎焊温度 980，保温时间 90 min 下能获得最佳力学性能.创新点：(1)采用 Ti-Zr-Cu-Ni 钎料钎焊 TiBw/TA15 钛基复合材料，通过调节钎焊工艺参数获得了良好的钎焊接头.(2)研究了不同钎焊工艺参数对 TiBw/TA15 钛基复合材料钎焊接头微观组织及力学性能的影响.关键词：钛基复合材料；真空钎焊；钎焊接头；界面组织；工艺参数中图分类号：TG454文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202208110010序言钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、热稳定性及焊接性能好等优点从而广泛应用于航空航天、海洋工程、交通运输、医疗器械等领域1-3，然而 TC4、TA15 等常用钛合金的长期使用温度低于 500 4-5.在钛合金基体中添加增强相制成钛基复合材料则能提高其使用温度6，尤其是非连续增强钛基复合材料相比传统钛合金具有更高的强度、更好的耐磨性、更高的服役温度，这些优点使得钛基复合材料具有广阔的应用前景7-9.钛基复合材料虽具有诸多优点，但增强体与基体在物理及化学性质上的差异，导致其加工性能较差10-11.对于易氧化材料，可将装配好钎料的焊件置于真空炉中进行加热钎焊，称为真空钎焊.焊件在焊接过程中处于真空气氛的保护下，能避免高温下氮气、氧气等气体对钎焊界面的污染，使得焊缝成形良好，非常适合焊接薄壁及结构较复杂的接头12.目前对于非连续增强钛基复合材料真空钎焊工艺研究主要集中在以 TC4 为基体的钛基复合材料上.在钛基复合材料的钎料选择上主要有 Ag 基钎料13-14和 Ti 基钎料15-17两类.相比 Ag 基钎料，Ti 基钎料与钛合金基体冶金相容性更好，服役温度更高，有利于获得力学性能更佳的钎焊接头18.此外，在钎料中加入 Zr 元素可与 Ti 无限互溶成为强化元素19，加入 Cu、Ni 元素可与 Ti、Zr 形成低熔点共晶降低钎料熔化温度20.因此目前主要选择 Ti-Zr-Cu-Ni 钎料.Tian 等人15利用 Ti-Cu-Ni-Zr 非晶态箔带状钎料在 940 下对 TiBw/Ti-6Al-4V 钛基复合材料进行了钎焊试验，其研究结果表明，得益于钎料元素的充分扩散，钎缝区与扩散区没有明显的边界，钎焊接头在 400 下抗拉强度与母材的比值相比常温下较低，这是由于随着温度升高，基体塑性改善，其与 TiB 塑性产生较大差异，使 TiB 成为了开裂源.Song 等人16利用 TiZrNiCu 非晶钎料成功实现了 TiBw/TC4 钛基复合材料与 Ti60 的钎焊，研究表明，焊缝中会产生脆性金属间化合物，接头往往断裂在此处，而随着钎焊温度的提高，脆性金属间化合物层逐渐减小并消失，剪切强度则逐渐上升，而当钎焊温度过高时则会产生粗糙的层片状(+)结构降低接头力学性能.Hu 等人17利用TiZrNiCu-B 钎料成功实现 TiBw-TC4 与 Ti60 的钎焊，研究了钎料中 B 元素含量对钎焊界面组织及连接性能的影响，结果表明适量的 B 元素有助于TiZrNiCu-B 在 Ti60 上的润湿，且 B 元素会与 Ti 反收稿日期：20220811第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):111 119June 2023应生成 TiB 晶须抑制晶粒长大，对接头的剪切强度有较大提升.目前国内外对非连续增强钛基复合材料钎焊工艺研究较少，且主要集中在以 TC4 为基体的钛基复合材料上.TA15 相比 TC4 具有更好的抗拉强度、断裂韧性、疲劳极限及热稳定性，但对于以TA15 为基体的钛基复合材料钎焊工艺研究却少见报道.因此研究选用以 TA15 为基体、TiB 晶须(TiBw)为增强相的钛基复合材料进行真空钎焊试验，研究分析了不同钎焊温度、保温时间、钎料厚度及 TiBw分布对钎焊接头组织及性能的影响，并优化工艺参数获得性能最佳的钎焊接头.1试验方法1.1试验材料试验所用母材为 TiBw/TA15 钛基复合材料，如图 1 所示，钛合金基体为 TA15 钛合金，其名义成分为 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其化学成分如表 1 所示.TiBw体积含量为 1.8%，TiBw/TA15 钛基复合材料的(+)/相转变温度为 1 010.TiBw/TA15钛基复合材料焊前显微组织如图 1 所示.由图 1 可知，母材组织由细小致密的条状 相和长条状的TiBw组成，TiBw与轧制方向平行.20 m轧向 图1TiBw/TA15 钛基复合材料微观组织 SEM 照片Fig.1TiBw/TA15TMCplateSEMmicrograph 表1TA15 钛合金化学成分(质量分数，%)Table1ChemicalcompositionofTA15titaniumalloy AlZrMoVTi5.5 7.01.5 2.50.5 2.00.8 2.5余量 试验所用钎料为 1.5 mm 宽、30 m 厚的非晶箔带状 Ti-Zr-Cu-Ni 钎料，钎料熔点为 895.1.2试验方法钎焊试验前，将原始板材切割成 110 mm 65 mm 1 mm 的试验件，并对试验件表面进行打磨以去除氧化膜，然后利用丙酮超声清洗 10 min，取出烘干备用.利用电阻点焊机将非晶箔带状钎料固定在试验件表面，并将两板固定，如图 2 所示.再将装配好的的待焊件放入真空钎焊炉中进行焊接.母材钎料 图2板板钎焊装配示意图Fig.2Assemblydiagramofplatebrazing 钎焊过程中加热曲线如图 3 所示.首先以5/min 的速率将炉内温度由室温升至 800(T1)，并保温 30 min(t2t1)，而后在 15 min(t3t2)内升至钎焊温度并设定对应保温时间，最后随炉冷却直至室温.钎焊过程中真空度不低于 2 103 Pa.t1T1T2t2t3加热时间 t/min炉内温度 T/t4 图3钎焊过程中温度变化曲线Fig.3Temperaturechangecurveduringbrazingprocess 利用电火花线切割法在不同工艺参数下的钎焊试样上分别切取金相试样和拉伸试样，如图 4 所示.将金相试样经镶嵌、打磨、抛光、腐蚀后制成金相样品，并利用光学显微镜(OM)及扫描电子显微镜(SEM)对钎焊接头界面组织进行观察，利用能谱仪(EDS)对钎焊接头物相中的元素分布情况进行观察分析，利用 X 射线衍射仪(XRD)对钎焊接头物相成分进行观察分析，利用 EBSD 对钎焊接头物相分布进行观察分析.50220R201015 图4拉伸试样尺寸(mm)Fig.4Tensilespecimensize 112焊 接 学 报第44卷对每组工艺参数下分别取 3 组拉伸试样进行力学试验，测试屈服强度、抗拉强度及断后伸长率并分别取平均值，并利用扫描电子显微镜(SEM)对拉伸后的断口形貌进行观察分析.钎焊实验中分别对钎焊温度、保温时间、钎料厚度等工艺参数进行研究，工艺参数如下表 2所示.表2钎焊工艺参数Table2Brazingprocessparameters 工艺钎焊温度T/钎焊保温时间t/min钎料厚度d/m920903095090309809030950606095090609501206095015060 2结果与讨论2.1典型接头的钎焊界面组织图 5 是钎焊温度 920，保温时间 90 min，钎料厚度 30 m 下钎焊接头 SEM 图，图 5a 中钎焊接头根据微观组织形态的不同可以分为两个部分，位于中间的钎缝区(区)，及位于区与母材之间的扩散区(区).图 5b 为局部区域放大图，对该区域进行 EDS 分析，各元素分布情况如图 6 所示.由图 6 可知，Ti 元素、Al 元素由浓度较高的母材向钎缝中心扩散，而 Zr 元素、Ni 元素、Cu 元素则由浓度较高的钎缝向母材扩散.对钎焊界面进行 XRD物相分析结果如图 7 所示.结合 EDS 和 XRD 分析，在钎焊接头中主要有3 类组织.组织 A 中含有较多的 Ti 元素、Al 元素，IIIII20 m(a)低倍(b)高倍 图5钎焊温度920，保温时间90min，钎料厚度30m下钎焊接头 SEM 照片Fig.5SEM micrographs of brazed joint at brazingtemperatureof 920 ,holding time of 90 minandbrazingfillermetalthicknessof30m.(a)lowmultiples;(b)highmultiples 20 m(a)Ti(b)Al(c)Zr(d)Mo(e)V(f)Ni(g)Cu(h)B20 m20 m20 m20 m20 m20 m20 m 图6图 5b 中元素分布情况Fig.6ElementdistributioninFig.5b.(a)T;(b)Al;(c)Zr;(d)Mo;(e)V;(f)Ni;(g)Cu;(h)B第6期叶嘉宝，等：TiBw/TA15 钛基复合材料真空钎焊界面组织及性能研究113但 Cu 元素、Ni 元素含量较少，主要为-Ti 相.组织 B 中则含有较多的 Zr 元素、Mo 元素、Ni 元素、Cu 元 素，较 少 的 Ti 元 素、Al 元 素，则 主 要 为Ti2Cu 相.组织 C 中则有较明显的 B 元素富集，结合图 1b 母材的微观组织图，可以推断细长条状的组织 C 为 TiBw.10203040衍射角 2/()相对强度 I/(a.u.)506070-Ti-TiTiBTi2Cu8090 图7钎焊温度 920，保温时间 90min 下钎焊接头XRD 图谱Fig.7XRD pattern of brazed joint under brazingtemperature920andholdingtime90min 2.2钎焊温度对接头界面组织的影响图 8 是保温时间为 90 min，不同钎焊温度下的钎焊接头微观组织形貌图，图中红色区域为框选出并标红的 TiBw.由图 8a 可以看出，钎焊接头区中主要为大片的黑色组织，而区中则主要是白色针状组织及夹杂其间的黑色块状组织.此外，区中几乎没有 TiBw，而区中则能观察到少量的 TiBw.由于母材中 TiBw是 B 元素的唯一主要来源，且TiB 具有稳定的高温热力学性质，也不与钎料发生反应，在钎焊过程中形态稳定不发生变化15,21.因此，B 元素只存在于焊后的 TiBw中.为进一步研究钎焊接头中的微观组织及物相，对接头处各点进行 EDS 分析，结果如表 3 所示.表3图 8 中各点 EDS 分析结果(质量分数，%)Table3EDSanalysisresultsofeachspotinFig.8 位置TiAlZrMoVNiCu可能的相A88.595.383.660.080.830.351.10-TiB73.983.754.570.661.146.909.00-Ti+Ti2(Cu,Ni)C74.743.286.770.350.945.048.88Ti-Zr-Cu-NiD87.687.002.360.240.990.701.03-TiE77.192.964.490.99