TC4/TA18钛合金蜂窝夹层结构钎焊工艺研究

作者:高兴强;佀好学;岳喜山;静永娟;李智渊 刊名:航空制造技术 上传者:杨长明

【摘要】针对TC4/TA18钛合金蜂窝夹层结构,采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni非晶箔带钎料,研究钎焊温度和保温时间对TC4/TA18钛合金蜂窝夹层结构接头微观组织及力学性能的影响,优化出TC4/TA18钛合金蜂窝夹层结构较优的钎焊工艺为920℃/保温90min和钎料添加量80μm,该工艺参数下钎焊接头的室温拉脱强度平均值最高,可达19.82MPa,破坏部位为TA18钛合金蜂窝芯。

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蜂窝夹层结构具有超轻质、高比强度和比刚度、消音、隔热等诸多优点,国内外现已广泛应用于航空航天等领域,如飞机机身、舵翼面、发动机舱门等[1-2]。钛合金蜂窝夹层结构在较高温度下能够长时间使用,并具有良好的疲劳寿命和耐腐蚀性能,可以满足现代飞机在某些特殊条件下的使用要求[3-4]。钛合金蜂窝夹层结构一般用钎焊方法将上下面板与中间蜂窝芯连接起来,如图1所示[5]。钛合金蜂窝夹层结构钎焊常用的钎料有钛基钎料、铝基钎料和银基钎料,因钛基钎料具有更高的高温性能和更好的耐腐蚀性而受到普遍关注[6]。TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金是从TC4(Ti-6Al-4V)钛合金演变而来的近型+型钛合金,虽不及TC4钛合金强度高,但由于其具有优异的冷成形性能和焊接性能、良好的高温性能和耐腐蚀性能,已在航空航天领域广泛应用[7]。TA18钛合金冷成形性优良,易用于制备蜂窝芯所用波纹带,因而TC4/TA18蜂窝夹层结构具有良好的应用前景。本文主要针对TC4/TA18钛合金蜂窝夹层结构,采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔带钎料进行真空钎焊,研究钎焊温度、保温时间对TC4/TA18钛合金蜂窝夹层结构钎焊界面微观组织的影响,分析钎焊界面的微观组织特征,并对钎焊接头进行拉脱性能测试。1试验条件和方法试验件上下面板均为TC4钛合金,蜂窝芯材料为TA18钛合金,二者的化学成分如表1所示。试验件蜂窝芯尺寸(D)为6.4mm,芯格壁厚(t)为0.08mm,蜂窝表1TC4钛合金与TA18钛合金的化学成分(质量分数)合金合金元素杂质元素()AlVTiFeSiCNHO其他TC45.5~6.83.5~4.5余量0.30.150.10.050.010.20.5TA182.0~3.51.5~3.0余量0.250.080.050.0150.120.3%图1典型蜂窝夹层结构示意图Fig.1Diagramoftypicalhoneycombsandwichconstruction面板面板蜂窝芯芯高度(h)为15mm,面板厚度为0.8mm。钎焊温度明显高于基体材料的相变温度时,基体材料发生相变,长时间保温使基体组织粗化,导致基体材料机械性能显著下降;钎焊温度过低时,钎料的流动性差,不能获得满意的钎焊接头,因而钎焊温度的选择需综合考虑钎料的熔点和基体材料的相变温度。试验选用钎料为Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni非晶箔带钎料,其熔点为830~840,TA18钛合金的相变温度在920~930左右。本文选择880、920和9603个钎焊温度,60min、90min和120min3个保温时间进行研究,分析钎焊界面的微观组织特征,并进行拉脱性能测试。试验在真空钎焊炉中进行,钎焊时真空度优于410-3Pa。将试样钎焊界面制作成金相试样,在光学显微镜下观察钎焊界面微观组织特征,分析钎焊界面对试件力学性能的影响。参照ASTMC297将焊后的试样用线切割分别切为50mm50mm试验件,进行拉脱性能测试,为保证试验的准确性,每组试验取5个试验件。2钎焊界面微观组织分析TC4/TA18蜂窝钎焊接头微观组织大致可分为3个区域,如图2(a)所示,靠近TC4面板一侧为扩散区,主要为由+相组成的针状魏氏组织,在钎焊接头中由于钎料中的Cu和Ni元素向面板母材扩散,Cu和Ni为相稳定元素,降低了相向相的相变温度,从而形成图2(a)中所示区所示的魏氏组织;紧邻扩散区的区域为未扩散均匀区,该区主要为钛,其中Cu、Ni元素未扩散完全,可能存在Ti与Cu、Ni元素的金属间化合物,如图2(a)中所示黑色区域区;靠近TA18蜂窝芯的区域为钎料凝固

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