高德君, 武紹旺, 楊生旭, 張承浩, 劉永旭, 司曉慶, 曹健

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150001;2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司, 西安 710100)

0 前言

自從鈦金屬商業(yè)化以來(lái), 鈦及鈦合金就因其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。鈦的密度約為4.51 g/cm3, 不到鋼密度的60%, 高比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、抗氧化性能等使其成為一種重要的金屬結(jié)構(gòu)材料[1-2]。鈦及鈦合金主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域, 在船舶、汽車(chē)及建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益增加。隨著鈦合金的廣泛應(yīng)用, 成分單一、一次成形的鈦合金器件難以滿(mǎn)足使用需求的提高, 因此鈦及鈦合金的異種材料連接具有重大的使用意義[3-5]。

TA1作為一種成形性能較好的工業(yè)純鈦, 往往被制備成高精度構(gòu)件, 但是TA1的其他性能不能滿(mǎn)足服役需求, 為此常常與其他鈦合金構(gòu)成復(fù)合器件使用[6-8]。目前, 應(yīng)用最為廣泛的鈦合金為固溶強(qiáng)化鈦合金, 其中, α + β型兩相TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金具有良好的塑形和優(yōu)異的力學(xué)性能, 在航空航天中火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器后部升降舵夾具、壓力容器等方面大量應(yīng)用[9]。因此, 實(shí)現(xiàn)TA1和TC4鈦合金的可靠連接對(duì)于制造應(yīng)用于航空航天中的精密器件具有重大意義。

在各種連接方法中, 釬焊因其焊接溫度遠(yuǎn)低于母材熔點(diǎn), 導(dǎo)致焊接變形小、焊接精度高, 對(duì)母材性能影響小, 往往應(yīng)用于高精度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的連接[10-11]。釬焊是利用液態(tài)釬料在母材表明潤(rùn)濕鋪展, 從而填充焊縫, 最終實(shí)現(xiàn)與母材良好冶金結(jié)合的焊接方法。釬料在母材表面的潤(rùn)濕性往往決定焊接的成功與否, 良好的潤(rùn)濕是成功實(shí)現(xiàn)連接的關(guān)鍵。因此, 研究釬料的潤(rùn)濕過(guò)程對(duì)釬焊具有重大意義[12-14], 文中采用與母材成分相近的TiZrNiCu作為釬料, 研究了TiZrNiCu釬料在TA1/TC4異質(zhì)界面的反應(yīng)潤(rùn)濕過(guò)程, 為二者的有效連接提高理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為釬料潤(rùn)濕鋪展試驗(yàn)和填縫試驗(yàn)兩部分, 鋪展試驗(yàn)采用尺寸均為40 mm × 40 mm × 3 mm的TA1鈦合金和TC4 鈦合金片, 試驗(yàn)前, 采用200號(hào)、400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)砂紙將潤(rùn)濕面打磨光亮, 并清洗干凈。填縫試驗(yàn)采用尺寸均為100 mm × 70 mm × 3 mm的TA1鈦合金和TC4 鈦合金板, 上端加工出45°倒角, 以便于釬料的預(yù)置。需釬料潤(rùn)濕的表面進(jìn)行精加工, 粗糙度為3.2, 四周打直徑為8 mm的孔洞, 二者用螺栓進(jìn)行裝配, 焊前使用酒精清洗干凈, 不同厚度的(20,50,80,100 μm)鈦箔放置二者之間, 用于控制縫隙寬度, 其裝配示意圖如圖1所示, 填縫試驗(yàn)完成后, 將試件延填縫方向切為7部分, 每部分寬均為10 mm, 采用光學(xué)顯微鏡觀察釬料填縫狀態(tài)后, 測(cè)量每部分截面填縫長(zhǎng)度后取平均值。試驗(yàn)所使用的釬料為T(mén)i51ZrNiCu粉末, 其成分如表1所示, DSC測(cè)試表明其熔點(diǎn)在845 ℃, 焊前采用聚乙烯醇水溶液配制成焊膏備用。

表1 TiZrNiCu釬料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)

圖1 填縫試驗(yàn)裝配圖示意圖

試驗(yàn)參數(shù)選用935 ℃/3 min, 室溫到800 ℃的升溫速率為20 ℃/min, 保溫5 min, 800 ℃到935 ℃的升溫速率為10 ℃/min, 保溫3 min后, 以10 ℃/min的降溫速率降到450 ℃后隨爐冷卻。采用潤(rùn)濕角測(cè)量?jī)x測(cè)量潤(rùn)濕角、掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對(duì)界面進(jìn)行觀察分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TiZrNiCu釬料潤(rùn)濕典型界面組織

在試驗(yàn)溫度為935 ℃、保溫時(shí)間為3 min的條件下, 所獲得的TiZrNiCu釬料在TA1表面潤(rùn)濕的典型組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看出, 釬料在母材潤(rùn)濕鋪展性能良好, 接觸角度較小, 釬料與母材間的結(jié)合較為致密, 沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋和斷裂傾向, 釬料與母材界面處有多種物相組成。釬料潤(rùn)濕后圖2中A～E點(diǎn)能譜結(jié)果。如表2所示。潤(rùn)濕界面分為3個(gè)區(qū)域:母材擴(kuò)散區(qū)、母材與釬料反應(yīng)區(qū)和釬料潤(rùn)濕區(qū)。在釬料潤(rùn)濕區(qū), 可以觀察到釬料和TA1發(fā)生溶解擴(kuò)散, 釬料與母材發(fā)生反應(yīng)后主要由兩部分組成, 一是以點(diǎn)A處為代表, 由明暗兩相組成, 其中暗相與母材相近, 元素成分主要為T(mén)i元素, 存在少量的釬料中元素,即Zr元素、Cu元素、Ni元素。物相應(yīng)該為α-Ti相, 而亮相呈針狀組織且彌散分布, 存在較多的Zr元素、Cu元素、Ni元素, 物相應(yīng)為β-Ti相;二是由B點(diǎn)與C點(diǎn)代表的網(wǎng)絡(luò)狀亮相與點(diǎn)狀暗相交織組成, 根據(jù)能譜分析, 網(wǎng)絡(luò)狀的亮相應(yīng)為(Ti,Zr)2(Ni,Cu)相, 點(diǎn)狀的暗相應(yīng)為β-Ti相。母材與釬料反應(yīng)區(qū), 即釬料與母材接觸的界面處, 點(diǎn)D, 其物相形貌和能譜結(jié)果與A點(diǎn)相似, 因此物相應(yīng)相同, 皆為α-Ti + β-Ti相。母材擴(kuò)散區(qū)是由釬料擴(kuò)散到母材深處形成的, 產(chǎn)生具有方向性針狀物相, 由E點(diǎn)能譜結(jié)果可知, 該相應(yīng)該為α-Ti相, 釬料中少量的Zr元素、Cu元素、Ni元素?cái)U(kuò)散到母材中。

表2 圖2中A～E點(diǎn)能譜結(jié)果(原子分?jǐn)?shù),%)

圖2 TiZrNiCu釬料在TA1表面潤(rùn)濕典型組織結(jié)構(gòu)

在試驗(yàn)溫度為935 ℃、保溫時(shí)間為3 min的條件下, 所獲得的TiZrNiCu釬料在TC4表面潤(rùn)濕的典型組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。與釬料在TA1表面潤(rùn)濕相似, 釬料與母材結(jié)合較為致密, 沒(méi)有明顯缺陷, 釬料在母材潤(rùn)濕鋪展性能良好, 接觸角度較小。表3為釬料潤(rùn)濕后圖3中A′～C′點(diǎn)能譜結(jié)果, 物相成分和形貌與TA1潤(rùn)濕界面相似, 總體相同, 只有釬料與母材反應(yīng)界面處略有差異, 相較于TA1潤(rùn)濕界面, TC4的潤(rùn)濕界面的α-Ti + β-Ti相更為明顯, 同時(shí)釬料滲入母材距離較短, 且無(wú)明顯的方向性存在。

表3 圖3中A′～C′點(diǎn)能譜結(jié)果(原子分?jǐn)?shù),%)

圖3 TiZrNiCu釬料在TC4表面潤(rùn)濕典型組織結(jié)構(gòu)

基于以上對(duì)TiZrNiCu釬料潤(rùn)濕界面組織分析, 認(rèn)為在試驗(yàn)溫度為935 ℃, 保溫時(shí)間為3 min, 釬料與TA1或TC4母材發(fā)生反應(yīng)潤(rùn)濕, 潤(rùn)濕效果良好, 界面組織由均勻的三部分組成, 即含有少量Ni元素、Zr元素、Cu元素α-Ti相的母材擴(kuò)散區(qū), 較多的Ni元素、Zr元素、Cu元素α-Ti + β-Ti相的母材與釬料反應(yīng)區(qū), 和α-Ti + β-Ti相 + (Ti,Zr)2(Ni,Cu)相組成的釬料潤(rùn)濕區(qū)。

2.2 試驗(yàn)溫度對(duì)潤(rùn)濕界面的影響

圖4, 圖5分別為在保溫時(shí)間為3 min的條件下, 所獲得的不同試驗(yàn)溫度(915～955 ℃)的TiZrNiCu釬料在TA1和TC4鈦合金表面潤(rùn)濕界面組織結(jié)構(gòu)?？梢杂^察到, 隨著試驗(yàn)溫度的增加, 釬料潤(rùn)濕區(qū)中白色相(Ti,Zr)2(Ni,Cu)略有增加, 但效果不顯著。釬料與母材反應(yīng)區(qū)逐漸增加, 母材的溶解區(qū)變厚, 但界面組織整體變化不大, 說(shuō)明潤(rùn)濕組織對(duì)這個(gè)區(qū)間內(nèi)的試驗(yàn)溫度不敏感, 具有較寬的潤(rùn)濕溫度工藝區(qū)間。在試驗(yàn)溫度為915～955 ℃范圍變化下, TiZrNiCu釬料對(duì)TA1和TC4鈦合金表面的潤(rùn)濕鋪展效果較為良好。

圖4 試驗(yàn)溫度對(duì) TA1 潤(rùn)濕界面組織的影響

圖5 試驗(yàn)溫度對(duì) TC4潤(rùn)濕界面組織的影響

圖6為在保溫時(shí)間為3 min的條件下, 不同試驗(yàn)溫度下, TiZrNiCu釬料在TA1和TC4鈦合金表面潤(rùn)濕角的變化, 二者變化規(guī)律相同, 這歸結(jié)于釬料與二者的反應(yīng)相似。隨溫度的增加, 釬料的潤(rùn)濕性小幅提高, 潤(rùn)濕角略有起伏, 但整體呈下降趨勢(shì)。

2.3 保溫時(shí)間對(duì)潤(rùn)濕界面的影響

圖7和圖8分別為在試驗(yàn)溫度為935 ℃的條件下, 所獲得的不同保溫時(shí)間(1～10 min)的TiZrNiCu釬料在TA1和TC4鈦合金表面潤(rùn)濕界面組織結(jié)構(gòu)。

圖8 保溫時(shí)間對(duì) TC4 潤(rùn)濕界面組織的影響

隨著保溫時(shí)間的增加, 潤(rùn)濕界面組織基本沒(méi)有明顯變化, 結(jié)合圖9潤(rùn)濕角隨時(shí)間的變化, 可以發(fā)現(xiàn)在1～10 min的保溫時(shí)間范圍內(nèi), 潤(rùn)濕角略有起伏, 但是整體變化不明顯, 說(shuō)明潤(rùn)濕組織對(duì)這個(gè)區(qū)間內(nèi)的保溫時(shí)間不敏感, 根據(jù)其他學(xué)者的研究及使用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[15-16], TiZrNiCu釬料在連接強(qiáng)度件時(shí), 需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)崽幚? 所以保溫時(shí)間1～10 min較短, 對(duì)潤(rùn)濕界面及潤(rùn)濕角沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。

圖9 保溫時(shí)間對(duì)潤(rùn)濕角的影響

2.4 填縫試驗(yàn)結(jié)果

在填縫試驗(yàn)中,人工設(shè)置了不同寬度(20,50,80,100 μm)的間隙,采用的試驗(yàn)參數(shù)為935 ℃/3 min,測(cè)量釬料在縫隙中充填的長(zhǎng)度,以衡量釬料的填縫能力。圖10是間隙為80 μm的典型光學(xué)照片,可以看出釬料在試件前部充分填充,到中部位置填充結(jié)束,未能填充所有縫隙。不同間隙下(20,50,80,100 μm),釬料填充的長(zhǎng)度不同,其對(duì)應(yīng)的平均填充長(zhǎng)度為完全填充、82.98,52.74,48.08 mm。根據(jù)釬焊中釬料爬升高度公式,即

圖10 填縫試驗(yàn)光學(xué)照片

(1)

式中:a為平行板的間隙, 釬焊時(shí)即為釬縫間隙;ρ為液體的密度;σSG為固氣界面的比表面自由能;σLG為液氣界面的比表面自由能;g為重力加速度。

在焊接參數(shù)、釬料及母材固定的情況下, 除釬縫間隙外, 其他參數(shù)均相同, 那么釬料爬升高度應(yīng)與釬縫間隙成反比, 將所得結(jié)果帶入發(fā)現(xiàn)數(shù)值大致符合客觀規(guī)律, 因釬料與母材的反應(yīng)影響了釬料的爬升高度, 故所測(cè)量值不能等于滿(mǎn)足公式計(jì)算結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 可將TiZrNiCu釬料在TA1/TC4板填充長(zhǎng)度化為經(jīng)驗(yàn)公式:h=4 000/a, 其中釬縫間隙a的單位為μm, 爬升高度h單位為mm。

3 結(jié)論

(1)TiZrNiCu釬料, 對(duì)TA1和TC4母材潤(rùn)濕性良好, 在試驗(yàn)溫度為915～955 ℃之間時(shí), 二者的潤(rùn)濕角均在30°左右。

(2)試驗(yàn)溫度對(duì)TiZrNiCu釬料在TA1和TC4母材上的潤(rùn)濕性有影響, 隨著溫度的增加(915～955 ℃), 潤(rùn)濕角逐漸降低;而保溫時(shí)間(1～10 min)對(duì)其潤(rùn)濕性沒(méi)有顯著影響。

(3)在試驗(yàn)參數(shù)為935 ℃/3 min的條件下, TiZrNiCu釬料對(duì)TA1和TC4母材填充能力可簡(jiǎn)化為經(jīng)驗(yàn)公式:h=4 000/a, 其中釬縫間隙a的單位為μm, 爬升高度h單位為mm。