TC4钛合金喷嘴真空钎焊工艺研究

作者:马军龙 刊名:金属加工(热加工) 上传者:魏驿欢

【摘要】采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料实现了TC4钛合金喷嘴的真空钎焊,分析了不同焊接参数对接头抗拉强度的影响,并借助扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)等方法研究了钎焊接头界面结构,确定了界面反应产物及其形态分布。研究结果表明,在界面反应层中生成四种产物:灰白色块状Ti和Al的化合物相,深灰色Ti基固溶体相,以及由Ti基固溶体和脆性化合物构成灰白色突起相和浅灰色骨架相。随着钎焊温度和加热时间的增加,接头抗拉强度呈现先增大再降低的趋势,当钎焊温度为940℃和保温时间为15min时,获得最大抗拉强度为412MPa的钎焊接头。

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钛合金因其优良的性能,被广泛应用于航空、航天和其他工业领域。在一些钛合金复杂结构的制造工艺中,由于钎焊连接具有的独特优势而越来越受到重视。在所有的钛合金中,用量最大的是TC4。TC4钛合金中钛的含量很高,钛是活性很强的金属材料,在高温下容易与N2、H2、O2反应,并同其他许多金属反应生成脆性金属间化合物。由于TC4真空钎焊可以避免高温情况下,氧、氮、氢等气体元素对TC4合金钎焊缝性能的影响,所以近年来TC4真空钎焊技术的应用越来越广泛。航天发动机的推力室,要求重量轻,结构紧凑,强度高,耐热性能好,工作可靠。因此,大多数空间工作的中小推力发动机都采用钛合金的结构设计方案。航天发动机燃料加注喷嘴是发动机的重要组成部分,一般由TC4钛合金加工制造而成,由于其具有复杂精密的薄壁结构,故在焊接工艺上若采用脉冲自动焊、激光焊等方法,则焊接时容易引起飞溅、热变形等,导致喷嘴小孔堵塞或喷嘴射流撞击精度恶化,最终会影响发动机的工作性能。综合分析TC4钛合金的焊接性以及喷嘴的结构,我们认为真空钎焊连接是喷嘴最适宜的连接方法。钛合金钎焊用钎料中常用的有银基钎料、铝基钎料和钛基钎料,银基钎料和铝基钎料虽有良好的润湿性和一定的力学性能,但焊缝与母材相比,其力学性能和化学性能差距较大;钛基钎料与钛合金的冶金相容性好,可以获得高强度的接头,是钎焊钛合金的优质钎料。因此,本研究采用较为常用的Ti-Zr-Ni-Cu钎料,对TC4钛合金喷嘴进行了真空钎焊工艺研究。1.试验材料和方法试件母材为TC4钛合金,其主要化学成分如表1所示。试验采用的钎料为Ti-Zr-Ni-Cu非晶钎料,其化学成分如表2所示。表1TC4钛合金化学成分(质量分数)(%)AlVFeSiCNHOTi5.56.83.54.50.300.150.100.050.0150.20余量表2钎料化学成分(质量分数)(%)钎料TiZrNiCu形态Ti40%+Zr25%+Ni15%+Cu20%40251520非晶带试验前,用火花放电切割方法将TC4钛合金切成长30mm和直径为8mm的棒状试件(用作抗拉试件),15mm15mm2mm和5mm5mm2mm的片状试件(用作金相分析试验),分别按照图1、图2所示方式装配拉伸试件和界面分析试件。由于在母材试件表面存在着影响连接质量的氧化膜和吸附层,因此要在焊前进行必要的去膜处理。试验所采用的去膜方法是手工机械去膜方法,即用240#、400#、600#、800#、1000#水砂纸对试件表面进行逐级磨光,再用丙酮或无水乙醇清洗。然后在真空度优于210-3Pa的钎焊炉内进行钎焊,同时用石墨夹具对试样进行装配和固定。焊接完成后,对钎焊对接试样进行抗拉强度测试,对焊后的试样用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对钎焊接头组织进行观察分析。2.试验结果及分析(1)钎焊接头的抗拉强度首先是钎焊温度对接头抗拉强度的影响:保温时间为15min,不同钎焊温度对接头强度的影响如图3所示。从图中可以看出,随着钎焊温度的升高,接头的抗拉强度先增大后减小。当钎焊温度为940时,接头的抗拉强度最高达到412MPa。图3钎焊温度对接头抗拉强度的影响接头强度随钎焊温度产生这种具有峰值的变化是由界面反应程度决定的。当钎焊温度较低时,母材与钎料之间的原子溶解、扩散、固溶和反应不充分,难以实现良好的冶金结合,因而接头强度很低。随着钎焊温度的升高,原子溶解、扩散、固溶和反应明显增加,因而接头强度提高。当钎焊温度达到940左右时,不但界面反应比较充分,而且反应层的金属间化合物数量也较适中,有效地实现了母材与钎料的冶金结合,增加了接头的

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