TC4钛合金与YG8硬质合金高频感应钎焊组织及性能研究

作者:邵长斌;熊江涛;孙福;张赋升;李京龙 刊名:材料工程 上传者:惠蓉

【摘要】在钎焊温度920~970℃和钎焊保温时间20s条件下,采用B-Cu64MnNi钎料对TC4钛合金与YG8硬质合金进行真空高频感应钎焊实验。利用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)及X射线衍射分析(XRD)对钎焊接头的显微组织、成分分布和相结构进行了研究,测试了接头的抗拉强度并观察分析了断口形貌及其元素分布。结果表明,钎焊温度为920~940℃时TC4与YG8钎焊接头显微结构为:TC4/β-Ti/TiCu+Ti3Cu4+TiMn+Cu(Mn,Ni)/YG8,钎缝呈镶嵌结构;随钎焊温度升高,脆性片状组织TiMn增多,镶嵌结构破坏,接头性能明显降低;钎焊温度为930℃时,获得的接头抗拉强度最高,为206MPa。

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TC4是一种广泛应用于航空、航天的钛合金材料,具有优异的综合性能;然而由于TC4易塑性变形、加工硬化趋向较低及表面氧化膜易去除等因素,使其耐磨性能较差[1-3]。WC-Co类硬质合金具有强度高、高温硬度高、耐磨损等特点,因此将钛合金与硬质合金可靠连接可以增加TC4的表面耐磨性,延长其在超声波焊头等磨损工况下的使用寿命[4-6]。钛合金与硬质合金焊接主要存在两方面的问题:一是钛合金中的Ti元素易与硬质合金及中间层Ni,Cu等形成金属间化合物;二是钛合金的线膨胀系数(TC4,9.110-6-1)约为硬质合金系膨胀系数(YG8,4.510-6-1)的两倍,焊接冷却过程中接头产生较大的残余应力[7]。目前报道的硬质合金与钛合金的连接方法有连续驱动摩擦焊、扩散焊[2,8]。摩擦焊过程中接头易产生较大的残余应力,不适用于焊接线膨胀系数较小的硬质合金[2]。扩散焊时,以Cu为中间层能较好地缓释接头的残余应力;然而,焊缝中形成多层连续金属间化合物层,在Ti/Cu界面有裂纹产生,且扩散焊所获接头强度分散性较大,不适宜TC4与硬质合金的连接[2,8]。真空钎焊是异种材料连接的常用方法之一,并且已有学者成功实现了硬质合金与钢,钛合金与钢的钎焊连接[7,9]。采用Ag基钎料钎焊钛合金时可获得强度较高的钎焊接头,然而Ag基钎料价格相对昂贵,且由于Ag基钎料熔点较低,钎焊后接头的使用温度一般不超过500,限制了接头的使用场合[1]。铜基钎料价格较低,其中B-Cu64MnNi钎料具有高强度、高塑性和相对较高的高温承载能力,是硬质合金钎焊的理想钎料[10],但Cu,Mn等元素易与Ti元素反应生成脆性金属间化合物,所以钎焊时应严格控制反应温度与反应时间。本工作以B-Cu64MnNi为钎料,利用高频感应钎焊加热速度快、钎焊时间短的特点,通过控制钎焊温度,缩短钎焊时间对TC4钛合金与YG8硬质合金进行钎焊工艺实验。采用SEM观察钎焊温度对接头组织形貌的影响规律;将XRD和EDS相结合,对界面组织的成分与相结构进行分析,测试了接头的力学性能,并对接头及断口的微观组织作了进一步分析。1实验材料与方法实验所用材料TC4钛合金尺寸为10mm25mm,化学成分如表1所示。YG8硬质合金尺寸为10mm20mm,WC与Co所占质量分数分别为92%和8%。钎料为B-Cu64MnNi冷轧箔材,厚度0.1mm,其固相线温度和液相线温度分别为860,910;钎料以Cu(Mn,Ni)固溶组织形式存在,其质量分数为:Cu64%,Mn30%,Ni6%。表1TC4的化学成分(质量分数/%)Table1ChemicalcompositionofTC4(massfraction/%)AlVFeSiCNHOTi6.0603.9300.1030.1500.0160.0330.0150.130Bal钎焊前将硬质合金待焊端面磨平,然后将硬质合金与钛合金待焊面及钎料表面分别用360,800,1500#的砂纸打磨,利用便携式粗糙度测量仪检测粗糙度并确保Ra3.2。将打磨好的试样浸于丙酮中超声波清洗3min除油,再以无水乙醇清洗干净,取出后冷风吹干,装配。钎焊实验时,用于金相分析的试样以硬质合金-钎料-TC4的顺序装配;为便于拉伸实验夹持,拉伸试件以TC4-钎料-硬质合金-钎料-TC4的顺序装配。研究表明[11]:当脆性材料的厚度与直径比大于21时金属内部的应力状态不再有较大变化,因此拉伸实验中的对称结构设计不会对合金内部的应力状态有明显影响。钎焊实验过程中施加0.2MPa的压力,以保证钎焊试样的稳固。钎焊实验在GJQ-1型真空高

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