中航工業(yè)北京航空材料研究院 梁 海

鈦合金在現(xiàn)代先進(jìn)的航空和航天結(jié)構(gòu)中已發(fā)展成為重要的結(jié)構(gòu)材料，鈦合金結(jié)構(gòu)選材的用量呈現(xiàn)了迅速上升的趨勢。目前在美國先進(jìn)的F119型第四代航空噴氣發(fā)動機(jī)上，鈦合金的用量已達(dá)到了結(jié)構(gòu)總重的1/3，而且預(yù)計(jì)在下一代渦輪發(fā)動機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)中鈦的用量將繼續(xù)增長。已知鈦合金釬焊結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的大芯格蜂窩夾層機(jī)翼、機(jī)翼和方向舵的加強(qiáng)肋、生命保障和防護(hù)服的板-翅式熱交換器、著陸反推格柵，導(dǎo)管等，渦輪發(fā)動機(jī)的寬弦中空風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)導(dǎo)向器和擴(kuò)散器、進(jìn)氣導(dǎo)向器等，以及火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室的安裝環(huán)等。而新型的TiAl和TMC材料的釬焊結(jié)構(gòu)可用于先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)的工作溫度600℃～1000℃的低壓渦輪、燃燒室和噴口[1]。

目前，鈦及鈦合金的釬焊用釬料基本上有2類[1-3]，一類是低溫的Al基和Ag基釬料；另一類是高溫的Ti(Zr)-Cu-Ni基和Cu基釬料。前者低溫釬料的釬焊接頭的缺點(diǎn)是耐蝕性和高溫強(qiáng)度低；后者高溫釬料的釬焊接頭的高溫強(qiáng)度和耐蝕性好，是鈦釬焊的最佳釬料。傳統(tǒng)的熱交換器主要為鋁、銅或不銹鋼材質(zhì)的釬焊結(jié)構(gòu)，而新型的鈦熱交換器在減重、耐蝕性和高溫強(qiáng)度性能上具有明顯優(yōu)勢，航空、航天、航海是其應(yīng)用的最佳領(lǐng)域。鈦熱交換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，釬縫很多，釬著率要求高，釬縫致密性要求高，因此對釬焊工藝提出了很高要求。本文研究了鈦熱交換器的真空釬焊工藝。

1 試驗(yàn)條件和方法

1.1 材料

熱交換器的材質(zhì)為TA2, 結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱交換器由本體和蓋板2部分組成，蓋板放入本體的方形槽后與本體的筋形成T形釬焊接頭，釬焊后形成密封的結(jié)構(gòu)，筋寬2mm，蓋板厚1.9mm。

圖1 鈦熱交換器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of Ti heat exchanger

工藝試片材質(zhì)為TA2，厚度組合：1.5mm+1.5mm,0.1mm+1.5mm和0.1mm+0.5mm（表面鍍Cu），模擬熱交換器的釬焊接頭。

所用釬料：（1）Ti-Zr-Cu-Ni系Ti基釬料,釬焊溫度范圍910～960℃，以粉狀和0.05～0.07mm厚的急冷非晶箔狀形式使用；（2）純Cu釬料，以0.05mm厚冷軋箔和10μm電鍍層形式使用。

1.2 設(shè)備

真空釬焊采用北京航空材料研究院的真空釬焊/擴(kuò)散焊爐，均溫區(qū)尺寸φ300mm×400mm，使用溫度1230℃，熱態(tài)真空度優(yōu)于2×10-2Pa。

釬焊接頭的成分分析采用北京航空材料研究院的JEOL JXA-8100電子探針儀和CAM SCAN3100掃描電鏡和OXFORD X-MAX能譜儀。

1.3 釬焊接頭質(zhì)量檢驗(yàn)

（1）金相檢查；（2）氦質(zhì)譜致密性檢查；（3）耐壓強(qiáng)度試驗(yàn),在內(nèi)腔壓力0.6MPa下,保壓5min后，無殘余變形。

2 釬焊工藝試驗(yàn)

2.1 熱交換器釬焊裝配

純Cu釬料箔清洗后用儲能點(diǎn)焊機(jī)定位點(diǎn)焊到熱交換器本體的筋上，蓋板鑲?cè)氲奖倔w的槽中，再在蓋板側(cè)面與本體的釬焊間隙中加入釬料。組合件放到釬焊卡具上壓緊，以使釬料壓緊在釬焊間隙中，保證每條釬縫形成預(yù)定的釬焊間隙，以得到高的釬著率和氣密性。為防止粘連，卡具與鈦熱交換器間用阻焊劑隔離。由于釬焊件大，不便于用釬焊爐的液壓桿均勻加壓，因此用帶緊固螺釘?shù)牟讳P鋼壓板多點(diǎn)均勻加壓。

2.2 釬焊工藝參數(shù)

釬焊工藝參數(shù)見表1。對不同的釬料和釬料使用形式，釬焊間隙，不同的釬焊溫度和時間進(jìn)行了試驗(yàn)和比較。

表1 釬焊工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 顯微組織

圖2 為用Ti基釬料真空釬焊的TA2純鈦接頭組織。圖2（a）為粉狀釬料，釬焊間隙為0.05mm的組織，經(jīng)過930℃下30min的釬焊保溫后釬縫為等溫凝固的共析針狀α組織，在釬焊過程中釬料已經(jīng)完全與母材混合在一起，形成了固溶體組織；圖2（b）、（c）為非晶釬料箔/0.05mm厚的組織，經(jīng)過930℃下30min的釬焊保溫后釬縫也為等溫凝固的針狀α組織，釬縫中的釬料也已經(jīng)完全與母材混合在一起，形成了固溶體組織，但是在釬焊圓角處的中心仍有少量殘留的共晶釬料，并形成了小的縮孔；圖2（d）為粉狀釬料，釬焊間隙為0.1mm的組織，經(jīng)過930℃下30min的的釬焊保溫后，釬料也已經(jīng)基本與母材混合在一起，釬縫大部分為等溫凝固的針狀α組織，釬縫中心可看到凝固的一次枝晶痕跡。釬料共晶組織也已難以看到。

圖2 Ti基釬料的TA2純鈦真空釬焊接頭組織Fig.2 Microstructure of CP Ti TA2/Ti-Zr-Cu-Ni joints vacuum brazed at 930℃ for 30 minutes

圖3為用Cu釬料釬真空釬焊的TA2純鈦接頭組織。圖3（a）、（b）為鍍Cu/0.01mm的組織，經(jīng)過960℃下60min的釬焊保溫后，釬縫中的釬料已經(jīng)完全與母材混合在一起，釬縫基本成下等溫凝固組織，但是在釬焊圓角處仍有殘留的共晶釬料，釬焊圓角美觀致密；圖3（c）、（d）為Cu箔/0.05mm的組織，經(jīng)過960℃下60min的釬焊保溫后釬縫形成了3個組織區(qū)，釬縫中心的殘留液相凝固區(qū)化合物相，寬度大約為50μm，母材與釬料相互溶解的凝固區(qū), 大部分為針狀α組織，和釬料向母材的擴(kuò)散區(qū)針狀α組織。這說明，在這個工藝條件下，釬料還不能充分從釬縫中擴(kuò)散出去，釬焊接頭會存在一定的脆性。

3.2 釬縫成分分析

為了解Cu箔/0.05mm釬料的釬焊接頭組織中元素的分布，用電子探針和能譜儀對釬縫成分做了線掃描分析和相成分分析，線掃描和SEM像見圖4。

圖3 Cu釬料的TA2純鈦真空釬焊接頭組織Fig.3 Microstructure of CP Ti TA2/ Cu joints vacuum brazed at 960℃ for 60 minutes

圖4 Cu釬料箔的TA2純鈦真空釬焊接頭SEM像Fig.4 SEM image of CP Ti TA2/ Cu foil joints vacuum brazed at 960℃ for 60 minutes

線掃描結(jié)果顯示，與釬縫兩側(cè)的釬料/母材溶解混合凝固區(qū)相比釬縫中心區(qū)的Cu含量高，Ti含量低。SEM能譜分析顯示，圖4中A相的成分接近Ti2Cu，應(yīng)為Ti2Cu相；B相的成分接近TiCu，應(yīng)為TiCu相；C相和D相都為高Ti低Cu固溶體相，應(yīng)為針狀α+α組織。從圖5的Ti-Cu二元合金相圖可知，用Cu作釬料在960℃進(jìn)行釬焊，是利用了Ti-Cu的共晶反應(yīng)：

圖5 Ti-Cu二元合金相圖Fig.5 Ti-Cu Binary equilibrium diagram

L(液相

當(dāng)釬焊時高溫?cái)U(kuò)散形成的共晶液相，沒能通過擴(kuò)散和相互溶解，使共晶點(diǎn)成分明顯改變，穿越Ti2Cu成分點(diǎn)向富Ti端靠近，那么，在釬縫中心必然會形成Ti2Cu+TiCu的化合物組織。因此，降低接頭間隙，減少釬料用量，延長保溫時間，對提高接頭塑形是必不可少的。

3.3 熱交換器的釬焊

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，考慮到實(shí)際零件為內(nèi)腔T形接頭，粉狀釬料不易使用，必須要使用箔狀釬料形式，但是國內(nèi)Ti基非晶箔狀釬料的價格昂貴，每公斤大約要4～5萬元，而且現(xiàn)貨釬料難得，需要定做，周期長。為滿足零件的釬焊要求，采用Cu作釬料在960℃/60min條件下的真空工藝方案，對圖1中所示的熱交換器進(jìn)行真空釬焊。經(jīng)實(shí)體零件解剖，釬縫致密，釬著率100%,見圖1。TA2的α→β轉(zhuǎn)變溫度為885～900℃[4]，在960℃進(jìn)行釬焊，母材晶粒有所長大。釬焊的熱交換器撿漏和耐壓試驗(yàn)，滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)論

與用純Cu釬料相比，用Ti-Zr-Ni-Cu釬料釬焊鈦熱交換器可以更容易地得到等溫凝固釬縫組織。而用純Cu釬料，則價格低，也可得到致密的成形漂亮的釬焊接頭，但代價是接頭的塑形較低。

[1] Shapiro A ,Rabinkin A. State of the art of titanium-based brazing filler metals. Welding Journal, 2003 (10)：36-43.

[2] LAN S W. Laminated Brazing Filler Metals for titanium assemblies. Welding Journal,1982,(10)：23～28.

[3] CHANG C S , JIA B. Application of roll welding to brazing.Welding Journal, 2003,(10)：28-31.

[4] 中國航空材料手冊編輯委員會. 中國航空材料手冊.第2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.