TC4钛合金钎焊接头的组织与性能

作者:静永娟;岳喜山;高兴强;柴璐; 刊名:金属热处理 上传者:陈飚

【摘要】采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni钎料对TC4钛合金进行了钎焊,钎焊温度为900 ℃,保温时间分别为30、60和90 min.结果表明,在900 ℃时该钎料可润湿TC4母材,润湿角平均值为16.7°.保温时间为90 min时,钎焊界面中心处钎料元素已扩散得较充分,与钎料合金成分相比,Zr元素由37.5%降低至1.79%,Cu和Ni元素分别由15%和10%降低至1.66%和1.64%.TC4钛合金钎焊试样的室温抗拉强度平均值为1007.6 MPa,多数试样断于母材,属于微孔聚合机制导致的断裂失效.

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钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点,随着新型飞行器的发展,对应用到航天、航空领域的钛合金的焊接性能提出越来越高的要求[1-4]。钛容易与钎料合金化,故易于钎焊。但钛合金的高温活性强,其钎焊一般在真空或氩气保护下进行,同时也容易形成金属间化合物,导致接头脆性。为此应选择合适的钎料和降低钎焊温度,或缩短钎焊时间以降低或减少脆性金属间化合物[5-6],用于钎焊其它金属的钎料基本上都不适用于钎焊钛合金。钛基钎料具有较高的焊接强度,优良的耐蚀性能,流动性能、润湿性能也较好,成为适用于钛合金用钎料的首选[7-8]。为更好的提高钛合金同质或异质钎焊接头的力学性能,目前报道多集中于钛基钎料微合金化研究[9],或在一定钎料下优化钎焊热循环工艺,限制钎料与基体合金化反应程度[10-12]。本研究针对常用Ti-Zr-Cu-Ni钎料,利用实验手段分析钎料可焊性,包括润湿性、钎料元素的扩散行为,钎焊界面组织以及接头性能和失效分析,证实了该钛基钎料具有较好的可焊性,研究结果为钛合金钎焊零件制造提供理论基础和技术参考。1试验方法试验以TC4钛合金为待焊母材,采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni(质量分数,%)为钎料,该钎料的熔点在830~840范围。采用的钎焊温度为900,保温时间分别为30、60和90min。使用真空钎焊炉进行钎焊,真空度不低于10-3Pa。钎焊接头采用对接接头形式,将钎焊后试件加工为标准拉伸试样后在拉伸试验机上测试接头室温拉伸性能。利用扫描电镜观察钎料组织和钎焊界面组织,通过能谱测试钎焊界面的元素分布,分析元素扩散情况。图2经900保温不同时间后钎焊界面的显微组织Fig.2Microstructureofthebrazinginterfaceheldat900fordifferenttime(a)30min;(b)60min;(c)90min2试验结果2.1润湿角测试结果在900下,钎料对TC4材料的润湿情况如下图1(a)所示。钎料在母材表面充分铺展,在保证钎焊间隙的条件下,钎料与母材之间结合良好,钎料组织与型钛合金组织类似,如图1(b)。图1钎料在母材表面的润湿角(a)及其显微组织(b)Fig.1WettingangleonsurfaceoftheTC4titaniummatrix(a)andmicrostructure(b)ofthebrazingsolder通常,润湿角为0表明液体完全润湿固体,润湿角为180表明液体完全不润湿固体;满足钎焊要求时,钎料的润湿角度必须低于20。采用VAF-30高温润湿角测量仪进行润湿角度的测量,该钎料钎料在840左右时开始融化,随着温度升高,当温度达到预定保温温度900时,润湿角不再变化,此时,三次测量润湿角分别为15.7,16.9,16.7,平均值为16.4。因此,该钎料在900可润湿母材。2.2钎料元素的扩散行为一定的钎焊保温时间是使钎料同母材相互扩散、相互结合所必需的,但过长的保温时间会导致某些过程的过分发展而走向反面,因此确定保温时间应首先考虑钎料与母材相互作用的特性。试验所用钎料含有Zr元素,而添加Zr元素可能导致界面形成化合物相Ti2Ni、Ti(Cu,Al)2,成为接头脆性的主要因素[3,5]。钎焊界面组织如图3所示。可见,界面组织完全为魏氏体组织,界面未见析出物。当保温时间较短(30min)时,界面两侧靠近母材处存在一定宽度的区域,如图2(a)所示,该区表现为灰白色区域。由于在背散射下元素原子量较大时其衬度较大,因此,该区域富含钎料元素,其内钎料元素扩散尚不够充分。随着保温时

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