异质钛合金蜂窝结构钎焊工艺研究

作者:静永娟;苏娣瑶;高兴强;岳喜山 刊名:《航空制造技术》 上传者:王凡

【摘要】针对钛合金薄壁结构的钎焊制造技术,通过研究在钎料作用和不同钎焊温度下基体材料的微观组织、相变点、刚度和屈服强度的变化发现,钎料元素扩散导致TC1材料相变点降低,在875℃发生α+β→β相转变,而TC4钛合金直至905℃尚未发生α+β→β相转变。在875℃下,随着保温时间延长,TC4材料的晶粒尺寸有所长大,导致刚度和屈服强度明显下降。当钎焊温度为875℃,保温时间不大于60min时,TC4钛合金板材的刚度和屈服强度不低于原始材料的86%。确定出TC4/TC1钛合金异质钎焊工艺范围为865~875℃、保温30~60min。研究结果为钛合金蜂窝结构的钎焊制造技术提供理论依据和参考。

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2.航空焊接与连接技术航空科技重点实验室,北京100024)静永娟博士,高工,主要从事金属材料钎焊和扩散焊技术研究和产品研发,相继承担了创新基金、航空基金项目和多项预研课题,参与钛合金蜂窝夹层结构的钎焊工艺开发,以第一发明人申请钎料成分设计方面专利两项,发表SCI和EI检索论文10余篇。金属蜂窝夹层结构具有高比强度、耐高温、隔热、隔音和耐蚀等优点,在国内外航空、航天领域得到广泛应用[1-3],是一种极具应用潜力的新型结构,如钛合金蜂窝夹层结构已应用于飞机机身、机翼、发动机短舱排气喷嘴等部位。钛合金蜂窝夹层结构可采用钎焊技术进行制造。研究发现,钛合金钎焊构件失效的主要因素包括以下几方面:(1)钎焊工艺导致钛合金的显微组织发生改变,严重降低基体材料的机械性能;(2)在钎焊过程中,母材和钎料合金会发生反应生成化合物,成为焊接结构失效的隐患[4-5];(3)钎焊界面的微观组织和基体材料组织的刚性不匹配,构件的钎焊部分局部变形不协调,成为焊接结构的薄弱环节。随着钛合金钎焊技术水平的提高,国内近几年对钛合金钎焊结构的了解越来越深入[3,6-8],同时也开展了对钛合金蜂窝夹层结构钎焊制造技术的研究[4-5,9-11],包括同质或异质材料蜂窝结构的钎焊工艺研究[4,11]、界面组织演变分析[4]或界面组织结构分析[10]等。研究表明,与TiNi3(Cu,Zr)化合物相比,Ti(Ni,Zr,Cu)和Ti固溶体晶胞不仅具有较高的强度,还具有相对良好的塑性,而TiNi3(Cu,Zr)化合物相的连续分布对钎焊界面的强度和塑性不利[10]。进一步分析发现,TC1钛合金在930、保温15min和一定钎料添加量条件下,钎焊蜂窝结构的界面会出现TiNi3(Cu,Zr)化合物相,当其尺寸细小、分布弥散时不会影响界面强度水平,相应钛合金蜂窝夹层结构钎焊试件的拉脱强度平均值较高,可达17MPa[4]。钎焊过程对钛合金基体微观组织和基本性能的影响是制定合理钎焊工艺的关键因素之一,尤其是对特殊结构形式的钛合金零件。本研究针对钛合金蜂窝结构,分析钎焊工艺参数对材料微观组织、相变点和刚度及屈服强度的影响,获得合理的钎焊工艺,以期为钛合金蜂窝结构的钎焊制造技术提供理论依据和参考。试验材料及方法试验材料为热处理状态TC4板材和TC1箔材,厚度分别为0.6mm和0.05mm。采用钎料为钛基钎料,呈箔带状,成分为Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni(重量百分比),厚度为0.05mm。通过金相显微镜和扫描电镜观察钎焊界面组织及界面两侧的基体材料组织。图1为钎焊金相试样示意图,钎焊工艺见表1。试验参照ASTME8/E8M-11StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials。采用拉伸试验机测试材料的应力-应变曲线,得出其基本力学性能,指标包括弹性模量、泊松比、屈服强度和极限强度。试验结果及分析1钎焊温度对TC1箔材微观组织和相变点的影响不同钎焊温度下钎焊界面组织的典型形貌如图2所示。在保温时间为30min、钎料添加量不变的条件下,随着钎焊温度由865向905逐渐升高,首先,TC1箔带原始双态组织形貌逐渐消失,并由双态组织转变为针状相组织,见图2(a)~(c),且相晶粒的生长方向与钎焊界面几乎垂直;其次,钎焊界面宽度逐渐增大,且随着钎焊温度提高,相晶粒明显粗化,如图2(d)~(e)所示。TC1钛合金为一种低强度、高塑性的近型钛合金,在平衡状态下由相和少量相组成。TC1钛合金含有2%稳定元素Al和1.5%稳定元素Mn,而钛合金中稳定元素增加会导

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