張 哲

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部,沈陽(yáng) 110136）

Ti/Al異種材料搭接焊的研究現(xiàn)狀

張 哲

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部,沈陽(yáng) 110136）

本文對(duì)Ti/Al異種材料搭接焊的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分類介紹了釬焊、熔纖焊和固相焊的應(yīng)用，詳細(xì)分析了各個(gè)焊接方法在Ti/Al搭接接頭應(yīng)用中的優(yōu)劣，展望了Ti/Al搭接接頭的工程應(yīng)用前景。

Ti/Al；異種材料；搭接焊

1 序言

鈦合金由于其高強(qiáng)度、耐腐蝕性、良好的疲勞壽命，被廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)[1]，但是由于成本控制等原因，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。為了使鈦合金的應(yīng)用達(dá)到高性能、低重量和成本控制的設(shè)計(jì)需求[2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出將低比重且價(jià)格低廉的鋁合金與鈦合金組成復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用到產(chǎn)品中，例如在飛機(jī)機(jī)艙散熱片、機(jī)翼蜂窩夾層、座位導(dǎo)軌和高速列車車廂等[3]。在這樣的前提下，Ti/Al異種材料的焊接問題亟需被解決。

而在實(shí)際工程中，搭接接頭也是一種常見的接頭形式，因此Ti/Al異種材料搭接焊的研究也非常必要。Ti/Al的傳統(tǒng)熔化焊過程中，其接頭內(nèi)部會(huì)因母材熔化而產(chǎn)生大量的脆性金屬間化合物（Intermetallic Compound, IMC），故而Ti/Al的傳統(tǒng)融化焊已逐漸被淘汰。目前被應(yīng)用于Ti/Al搭接接頭的焊接方法主要分為釬焊、熔釬焊和固相焊三個(gè)大類。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外Ti/Al異種材料搭接焊的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述，為學(xué)者及工程師們提供了更為簡(jiǎn)明實(shí)用的參考，同時(shí)對(duì)于Ti/Al搭接接頭的工程推廣起到了一定的積極意義。

2 Ti/Al釬焊搭接的研究現(xiàn)狀

釬焊是現(xiàn)代工業(yè)中技術(shù)比較成熟的一種焊接技術(shù)，由于其焊接溫度往往低于母材熔點(diǎn)，進(jìn)而可以減少金屬間化合物的產(chǎn)生，所以其對(duì)于異種材料的焊接具有一定的優(yōu)勢(shì)。目前對(duì)Ti/Al釬焊搭接的研究主要分為釬料中添加元素[4,5]和添加中間層[6]兩種。日本學(xué)者Takemoto等人[4]早在1998年就進(jìn)行了Ti/Al釬焊搭接的研究，得出了鋁基釬料中添加Si元素可以有效減小IMC層厚度的結(jié)論。中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者Chang[5]等人在6061鋁合金和TC4鈦合金釬焊搭接中使用了添加混合稀土元素的釬料。焊后發(fā)現(xiàn)，添加0.1wt.%稀土元素接頭的拉剪強(qiáng)度比未添加接頭高出一倍。東北石油大學(xué)學(xué)者馬志鵬等人[6]在用Zn-Al釬料對(duì)TC4鈦合金和2A12鋁合金的釬焊搭接中，在搭接界面添加了純鋁中間層，并得到了成分僅為TiAl3的IMC層，且強(qiáng)度達(dá)到了201MPa。上述研究通過工藝的改進(jìn)提升了接頭性能，但還遠(yuǎn)達(dá)到工程應(yīng)用的要求。此外，釬焊工藝難以焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜或大尺寸工件的缺點(diǎn)也限制了其應(yīng)用。

3 Ti/Al熔-釬焊搭接的研究現(xiàn)狀

熔釬焊是一種在釬焊基礎(chǔ)上衍生出的焊接技術(shù)，常用來(lái)焊接熔點(diǎn)具有一定差異的異種材料。Ti/Al搭接接頭的熔釬焊原理是熔點(diǎn)較低的母材以及釬料產(chǎn)生液相，熔融的低熔點(diǎn)材料在高熔點(diǎn)材料表面潤(rùn)濕、鋪展，從而實(shí)現(xiàn)焊接。目前用于Ti/Al異種材料搭接的主要分為電弧熔釬焊和激光熔釬焊兩種。

Ti/Al搭接接頭的電弧熔釬焊，是將重當(dāng)釬料的填充焊絲及焊縫區(qū)域的鋁合金母材融化，其后熔融狀態(tài)的混合液態(tài)鋁在鈦合金母材表面鋪展?jié)櫇?，最終完成釬焊連接。重慶大學(xué)學(xué)者Wang等人[7]用TIG釬焊技術(shù)對(duì)5052鋁合金和TC4鈦合金進(jìn)行了搭接試驗(yàn)。焊接過程中在焊縫區(qū)域的兩種母材之前添加了鋅箔片，并證明了鋅箔片的添加可以改善液態(tài)釬料的鋪展能力，接頭的拉剪強(qiáng)度也達(dá)到了一個(gè)鋁合金母材的80%。由于Ti/Al焊接的電弧熔釬焊裝置廉價(jià)且技術(shù)可借鑒傳統(tǒng)電弧焊，故其在工程應(yīng)用中具有一定的發(fā)展?jié)摿8]。

與電弧熔釬焊單一的接頭形式不同，激光熔釬焊可以焊接鋁上和鈦上兩種形式Ti/Al搭接接頭。其中，鋁上接頭的原理與電弧熔釬焊的原理類似，區(qū)別是其熱源改變?yōu)榧す猱a(chǎn)生并可以實(shí)現(xiàn)無(wú)釬料焊接。法國(guó)學(xué)者Peyre等人[9]用5754鋁合金和T40鈦合金研究了鋁上結(jié)構(gòu)的激光熔釬焊搭接接頭，并在特定工藝范圍內(nèi)得到了穩(wěn)定力學(xué)性能，且斷裂在界面處的TiAl3層。鈦上接頭的原理是激光作用在作為上板的鈦合金表面，然后熱量通過上板傳導(dǎo)至與其接觸的鋁合金，靠近界面的鋁合金達(dá)到熔融狀態(tài)，并在外置壓力的作用下，在鈦合金下表面鋪展?jié)櫇?，?shí)現(xiàn)釬焊連接。德國(guó)學(xué)者Wagner等人[10]在2001年首先使用激光熔釬焊對(duì)鈦上鋁下搭接接頭進(jìn)行了焊接，試驗(yàn)材料為TC4鈦合金和Al-0.4Mg-1.2Si鋁合金。結(jié)果顯示，在一定的工藝參數(shù)下，接頭界面處產(chǎn)生了穩(wěn)定的IMC層，拉剪強(qiáng)度達(dá)到了220MPa。激光熔纖焊的優(yōu)點(diǎn)在于熱輸入的穩(wěn)定性以及精準(zhǔn)性，這可以更準(zhǔn)確的控制IMC的產(chǎn)生，進(jìn)而穩(wěn)定提高接頭的強(qiáng)度。但是，激光設(shè)備高昂的造價(jià)及后期維護(hù)成本，使得其工程推廣收到了一定的限制。

4 Ti/Al固相焊搭接的研究現(xiàn)狀

固相焊的焊接溫度在通常情況下低于母材的熔點(diǎn)，這可以避免異種材料焊接中很多材料熔化帶來(lái)的缺陷，特別是對(duì)于Ti、Al這兩種熔點(diǎn)相差較大的材料。目前應(yīng)用于Ti/Al異種材料搭接的固相焊主要為擴(kuò)散焊、爆炸焊和攪拌摩擦焊等。

擴(kuò)散焊是一種傳統(tǒng)的固相焊接方法，適用于管材和板材的焊接。目前對(duì)于Ti/Al搭接接頭擴(kuò)散焊的研究主要分為無(wú)中間層[11]、母材表面鍍層[13]以及添加中間層[14]三種。清華大學(xué)學(xué)者姚為等人[11]在無(wú)中間層的情況下對(duì)TA2純鈦和L4工業(yè)純鋁進(jìn)行了擴(kuò)散焊接，得到了IMC層中僅含有TiAl3的接頭，且可強(qiáng)度超過L4工業(yè)純鋁母材。山東大學(xué)學(xué)者李亞江等人[12]采用了鈦表面滲鋁的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)TA2工業(yè)純鈦和L4工業(yè)純鋁的擴(kuò)散連接。結(jié)果顯示，鈦母材上的過渡區(qū)和滲鋁層生成了TiAl和TiAl3兩種IMC。加拿大學(xué)者AlHazaa等人[13]用22μm的Cu片作為中間層對(duì)TC4鈦合金和7075鋁合金進(jìn)行了擴(kuò)散焊接，接頭內(nèi)部的Cu中間層在加熱時(shí)間30min時(shí)消失，呈現(xiàn)一個(gè)較大的擴(kuò)散區(qū)。目前Ti/Al搭接接頭的擴(kuò)散焊還處于機(jī)理研究的階段，距離工程應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段距離。另外，擴(kuò)散焊技術(shù)本身的自動(dòng)化程度較低也是限制其發(fā)展的一個(gè)重要因素。

爆炸焊是一種特殊的固相焊接方法，通常被用于制備金屬?gòu)?fù)合板。目前對(duì)于Ti/Al爆炸焊搭接的研究分為制備多層Ti/Al復(fù)合板[15]和鈦上鋁下結(jié)構(gòu)的Ti/Al搭接[16]。制備多層Ti/Al復(fù)合板通常要在最上層放置鋼制驅(qū)動(dòng)板（driven plate），并在驅(qū)動(dòng)板上放置炸藥。俄羅斯學(xué)者Lazurenko等人[15]在2016年通過爆炸焊制備了40層的Ti/Al復(fù)合板，焊后通過加壓熱處理，Ti/Al界面生成了穩(wěn)定的TiAl3層。鈦上鋁下結(jié)構(gòu)的Ti/Al搭接則是將鈦合金作為覆板，并將炸藥放置在其上。波蘭學(xué)者Fronczek等人[16]用爆炸焊對(duì)Ti Gr.2鈦合金和1050鋁合金進(jìn)行搭接試驗(yàn)，在接頭界面發(fā)現(xiàn)了TiAl3、TiAl2、TiAl和Ti3Al四種IMC。后通過退火處理，界面產(chǎn)生了一層連續(xù)的TiAl3層。目前，爆炸焊制備Ti/Al復(fù)合板的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，也已應(yīng)用到實(shí)際工程中。而在Ti/Al的爆炸焊搭接中，巨大沖擊力會(huì)導(dǎo)致接頭變形嚴(yán)重，且焊后必須要進(jìn)行的熱處理影響了生產(chǎn)效率。

攪拌摩擦焊是一種新型固相焊技術(shù)，其不僅具有常規(guī)固相焊的一系列優(yōu)勢(shì)，還具有自動(dòng)化程度高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)于Ti/Al攪拌摩擦焊搭接研究，主要是針對(duì)鋁上鈦下結(jié)構(gòu)的焊接。日本學(xué)者Chen等人[17]對(duì)4mm厚的ADC12鑄造鋁合金和2mm厚的純鈦進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接，采用針長(zhǎng)3.9mm的攪拌頭。焊后，在接頭界面發(fā)現(xiàn)了TiAl3新相，其拉剪強(qiáng)度也達(dá)到鋁合金母材的62%。西北工業(yè)大學(xué)學(xué)者Wei等人[18]采用一種帶有特殊攪拌針（cutting pin）的攪拌頭對(duì)3mm厚的1060純鋁和TC4鈦合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊搭接，攪拌針長(zhǎng)度也僅為3.2mm，最終得到了拉剪強(qiáng)度大于1060純鋁母材的接頭。新西蘭學(xué)者Chen等人嘗試了對(duì) 6mm厚6060鋁合金和2.5mm厚TC4鈦合金的攪拌摩擦焊搭接，并采用針長(zhǎng)6mm的攪拌頭，在界面處形成了一層極薄（小于250nm）且強(qiáng)度極高的IMC層。采用極小的下板扎入量是國(guó)內(nèi)外學(xué)者最常用的方案，并以此獲得了一定的成果。盡管如此，關(guān)于Ti/Al攪拌摩擦焊搭接的研究還是較少，鈦上鋁下結(jié)構(gòu)的研究也還未涉及。

5 展望

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，Ti/Al異種材料搭接接頭在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。目前對(duì)于Ti/Al搭接焊的主要研究是通過工藝或裝置的改進(jìn)控制接頭內(nèi)部IMC的生成，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定提升接頭性能的目的。雖然目前大部分Ti/Al搭接焊技術(shù)還遠(yuǎn)達(dá)不到工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，但是文中所述的研究都提供了明顯的方向性，也顯示了其應(yīng)用的前景。在不久的將來(lái)，Ti/Al搭接焊一定能在工程應(yīng)用發(fā)揮重要作用。

[1]付艷艷.et al. "航空用鈦合金的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]." 稀有金屬,2006(06):30.

[2]Immarigeon.et al. "Lightweight materials for aircraft applications[J]." Mater. Charact,1995(35):1.

[3]陳玉華."鋁/鈦異種金屬焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J]."航空制造技術(shù),2012(21):417.

[4]Takemoto,T,et al."Intermetallic compounds…[J]."Journal of materials science,1988(04):23.

[5]Chang,S.Y.,et al."Brazing of…" Journal of Mater[J].Proc.Tech,2012(01):212.

[6]馬志鵬,et al."純鋁中間層的 Al/Ti 釬焊接頭…….[J]".兵器材料科學(xué)與工程,2013(05):36.

[7]Wang,Haodong,et al."TIG welding-brazing…[J]".Journal of Materials Proc.Tech,2018:251.

[8]Xu,Chuan,et al."Effect of high energy…[J]".Journal of Alloys and Compounds,2017:695.

[9]Peyre,Patrice,et al."Generation and…[J]". Journal of Materials Proc.Tech,2014(09)214.

[10]Wagner,F.et al."Characterization and properties…[J]"Proc.ICALEO’(CD-ROM),2001(01).

[11]姚為,et al."Ti/Al 擴(kuò)散焊的接頭組織結(jié)構(gòu)及……[J]".稀有金屬材料與工程,2007(04):36.

[12]Jiangwei,Ren,et al."Microstructure characteristics…[J]". Materials Letters,2002(05):56.

[13]AlHazaa,A.,et al."Transient liquid phase(TLP)bonding…[J]" Mater.Charact,2010(03):61.

[14]Lazurenko,D.V.,et al."Explosively welded multilayer Ti-A l…[J]".Mater.& Des,2016:102.

[15]Fronczek,D.M.,et al."Structural properties of Ti/Al…[J]"Mater.& Des,2016:91.

[16]Chen,Y. C.,et al."Microstructural characterization and…[J]".Mater.& Des,2009(03):30.

[17]Wei,Yanni,et al."Joining aluminum to titanium alloy by…[J]".Mater.Charact,2012:71.

[18]Chen,Z.W,et al."Microstructures in interface…[J]".Mate.Sci.and Eng,2015(A):634.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.004