SP700/TC4钛合金蜂窝夹层结构钎焊工艺分析

作者:苏頔瑶;静永娟;岳喜山;陈林; 刊名:焊接学报 上传者:宋岩杰

【摘要】采用非晶态Ti-Zr-Cu-Ni箔带钎料对SP700/TC4钛合金蜂窝结构进行钎焊工艺研究,分析了钎焊温度和保温时间对钎焊接头组织和力学性能的影响.结果表明,当钎焊温度在875~890℃之间变化时,随温度升高,钎焊接头中元素扩散更为充分,接头拉脱强度持续增长;在890℃下保温2~4 h不同时长进行钎焊,接头的拉脱强度先逐渐增加,在保温时间为3.5 h时达到最大值,随后逐渐降低.获得SP700/TC4钛合金蜂窝结构的较优钎焊工艺为890℃/3.5 h,该工艺下钎焊接头的室温拉脱强度、三点弯曲强度、平面压缩强度、L及W方向抗剪强度分别达到14.64,224.05,11.21,4.43及3.76 MPa,破坏部位均为TC4蜂窝芯.

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0序言SP700钛合金是在TC4合金成分基础上添加β稳定化元素形成的富β相的α+β型钛合金.该材料在775℃具有优越的超塑成形性能,超塑成形温度较TC4低100℃左右.此外,它还具有比TC4钛合金更高的强度、塑性、断裂韧性和疲劳强度,加工成形性能和热处理性能也更为优异,因此得到了广泛的关注,并已成功应用在运动器械、手工工具等非航空航天领域[1-4].金属蜂窝夹层结构由上、下面板和蜂窝芯体构成,其中上、下面板和蜂窝芯体可通过钎焊方法进行连接.钛合金蜂窝夹层结构由于具有质量轻,比强度和比刚度高,消音、隔热以及减振、防潮等优异性能,目前已经在国内外航空航天领域得到了广泛的研究和应用[5-9],如飞机机身、机翼、发动机舱门等.文中针对SP700/TC4钛合金蜂窝夹层结构钎焊工艺进行研究,优化钎焊工艺,观察钎焊界面组织特征,分析主要钎焊工艺参数对该结构组织和力学性能的影响,为SP700钛合金在航空航天领域蜂窝夹层结构上的应用提供试验基础和设计参考.1试验方法试验用上、下面板材料分别为0.8和1.2 mm厚SP700钛合金.蜂窝芯体材料为TC4,带材厚度为0.1 mm,蜂窝芯格内切圆直径为11.2 mm,单壁厚为0.1 mm,高度为15 mm.母材成分如表1所示.试验采用的Ti-Zr-Cu-Ni箔带钎料的名义化学成分(质量分数,%)为Ti-18Zr-15Cu-10Ni.理论厚度为50μm,公差为10μm.采用钛基薄带钎料时焊缝组织理论上为钛合金铸造组织,但由于实际钎料成分的不同会对钎缝组织特征产生一定影响.表1 SP700/TC4化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of SP700 and TC4材料Al V Mo Fe O N C H TiSP700 4~5 2.5~3.5 1.8~2.2 1.7~2.3≤0.15≤0.05≤0.08≤0.01余量TC4 5.5~6.8 3.5~4.5—0.3≤0.2≤0.05≤0.1≤0.01余量采用真空钎焊炉进行钎焊试验,真空度优于4×10-3Pa.与TC4钛合金相比,SP700钛合金的相变点较低,为905℃,因此,参考SP700的相变点选择钎料和钎焊工艺范围.首先,选择钎料为非晶态箔带钎料,熔点为830~840℃,其次,设置钎焊温度低于SP700相变点,如表2所示,钎焊保温结束后炉冷至300℃空冷.表2钎焊工艺参数Table 2 Parameters of brazing processes工艺变量钎焊温度T/℃保温时间t/h875钎焊温度880 28902保温时间890 3.54钎焊后采用线切割机获得SP700/TC4蜂窝夹层结构试块,采用金相显微镜和扫描电镜观察面板与蜂窝芯体之间的钎焊界面组织并分析成分,采用Z100电子万能材料试验机,参照GJB130.4—1986《胶接铝蜂窝夹层结构平面拉伸试验方法》进行蜂窝夹层结构拉脱性能测试.2试验结果及分析2.1钎焊工艺优化以钎焊单元件的焊接界面为研究对象,分析界面组织,讨论钎焊工艺对基体组织的影响,最终确定合理的钎焊工艺.2.1.1钎焊温度对接头组织及性能的影响蜂窝结构钎焊界面组织由近母材的等温凝固区(I区)、快速凝固区(II区)和钎角部位的钎料凝固区(III区)三部分组成,钎焊温度不同,随钎焊工艺的不同,各区域的组织状态和分布有明显差异.图1a为875℃钎焊界面组织,由于钎焊温度仅稍高于钎料熔点,钎料熔化后扩散不充分,只在其与母材接触面附近有限宽度范围内发生反应,形成等温凝固区,宽度约50μm,快速凝固区较宽,约为50μ

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