TiAl合金與高溫合金的擴(kuò)散焊接頭組織及性能

周 媛，熊華平，毛 唯，陳 波，葉 雷

（北京航空材料研究院 焊接及鍛壓工藝研究室，北京100095）

TiAl合金與高溫合金的擴(kuò)散焊接頭組織及性能

周 媛，熊華平，毛 唯，陳 波，葉 雷

（北京航空材料研究院 焊接及鍛壓工藝研究室，北京100095）

采用直接擴(kuò)散焊和加中間層的擴(kuò)散焊方法進(jìn)行了TiAl合金和高溫合金異種材料組合的連接實(shí)驗(yàn)。在1000℃／20MPa／1h規(guī)范下直接擴(kuò)散焊獲得的TiAl／GH2036接頭組織中存在大量未焊合的孔洞，接頭室溫剪切強(qiáng)度平均值僅有16MPa。采用Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層在935℃加壓3MPa保溫10min和1h進(jìn)行了TiAl／GH3536組合接頭的液相擴(kuò)散焊，獲得的擴(kuò)散焊縫中含有Ti3Al，NiTi等多種物相，中間層合金與兩側(cè)母材發(fā)生作用形成了具有一定厚度的反應(yīng)層。在935℃／3MPa／1h規(guī)范下獲得了與兩側(cè)母材結(jié)合良好的無(wú)缺陷擴(kuò)散焊接頭，室溫剪切強(qiáng)度達(dá)到125MPa。

TiAl合金；高溫合金；擴(kuò)散焊；Ti－Zr－Cu－Ni合金

TiAl金屬間化合物合金具有密度低、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是極具應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料［1，2］。TiAl合金替代高溫合金應(yīng)用于航空、航天及車用發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)減重提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率［3，4］，已經(jīng)獲得應(yīng)用或正在進(jìn)行研究的 TiAl基合金部件有航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、航天用整體葉盤、車用增壓器渦輪等［5］。在TiAl合金的工程應(yīng)用中，常常需要將其與異種材料連接起來(lái)，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)良性能。擴(kuò)散焊是實(shí)現(xiàn)TiAl合金與異種材料連接的有效方法之一。較多的擴(kuò)散焊技術(shù)研究工作圍繞TiAl合金與鋼、鈦合金及陶瓷這些異種材料組合開(kāi)展［6－8］，而對(duì)更能發(fā)揮高溫性能優(yōu)勢(shì)、有潛在應(yīng)用前景的TiAl／高溫合金組合接頭的擴(kuò)散焊技術(shù)研究相對(duì)較少。

本工作采用直接固相擴(kuò)散焊和加入中間層合金擴(kuò)散焊的兩種方法進(jìn)行了TiAl合金與高溫合金異種材料組合連接實(shí)驗(yàn)。由于TiAl合金與高溫合金的熱強(qiáng)性高，變形困難，實(shí)現(xiàn)直接擴(kuò)散焊需要的溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，TiAl和GH2036異種材料組合的直接固相擴(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)采用1000℃／20MPa／1h規(guī)范進(jìn)行。加入中間層合金進(jìn)行TiAl合金與高溫合金擴(kuò)散焊，可以降低擴(kuò)散焊溫度和壓力。選擇TiAl合金釬焊時(shí)使用較多并且取得性能較好的Ti基釬料Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層進(jìn)行TiAl和GH3536異種材料組合的液相擴(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)［9］，采用的擴(kuò)散焊規(guī)范是935℃，加壓3MPa，保溫10min和1h。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用母材為北京航空材料研究院研制的TiAl合金和商用GH2036，GH3536高溫合金［10］。TiAl合金名 義 成 分 為 Ti－46Al－6（Cr，Nb，Si，B）（原 子 分?jǐn)?shù)／%），經(jīng)線切割制成面積為2mm×10mm、厚2mm試片。GH2036和GH3536高溫合金化學(xué)成分分別列于表1和表2中，使用形式為10mm×20mm、厚2mm試板。GH2036合金可在600～650℃長(zhǎng)期工作，GH3536合金適用于制造900℃以下長(zhǎng)期使用的高溫部件［10］。TiAl，GH2036和 GH3536合金試樣表面經(jīng)磨床磨光后置于丙酮中進(jìn)行超聲清洗。

表1 GH2036高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical composition of GH2036superalloy（mass fraction／%）

表2 GH3536高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 2 Chemical composition of GH3536superalloy（mass fraction／%）

Ti－Zr－Cu－Ni中間層合金［11］名義成分為 Ti－13Zr－21Cu－9Ni（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%），其制備方法：按成分比例混合后在氬氣保護(hù)條件下采用電弧熔煉設(shè)備制成合金錠，之后將合金錠置于石英管中，再通過(guò)單輥急冷設(shè)備在真空－氬氣條件下制成厚度約50μm的急冷態(tài)箔帶。擴(kuò)散焊時(shí)，Ti－Zr－Cu－Ni箔帶夾于 TiAl和 GH3536兩種合金母材待焊面之間。

擴(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)在L1215Ⅱ－1／ZM型真空爐中進(jìn)行，焊接時(shí)熱態(tài)真空度不低于1.0×10－2Pa，升溫速率為10℃／min。TiAl／GH2036直接固相擴(kuò)散焊采用的規(guī)范為1000℃／20MPa／1h。以Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層的液相擴(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)，采用935℃下加壓3MPa分別保溫10min和1h兩種規(guī)范進(jìn)行。

通過(guò)掃描電鏡（SEM）觀察 TiAl／GH2036、TiAl／GH3536兩種擴(kuò)散焊接頭的微觀組織；采用INCA能譜儀（EDS）分析接頭中的微區(qū)成分；室溫下測(cè)試了接頭的剪切強(qiáng)度；并對(duì)剪切試樣斷口表面進(jìn)行了X射線衍射（XRD）物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiAl／GH2036直接擴(kuò)散焊的接頭組織及性能

擴(kuò)散焊溫度為1000℃，加壓20MPa保溫1h獲得的TiAl／GH2036的擴(kuò)散焊接頭組織如圖1所示，接頭中各區(qū)域的能譜分析結(jié)果列于表3中。從圖1中可以看出，雖然TiAl和GH2036兩種母材結(jié)合在一起，但是在界面處仍然還存在未焊合的孔洞。焊縫旁的GH2036中存在較多的孔洞，而TiAl母材一側(cè)的孔洞較少。界面處的GH2036母材中出現(xiàn)了一些淺灰色塊狀相（圖1中的“1”區(qū)），能譜分析結(jié)果顯示該區(qū)域成分接近GH2036母材，只是還含少量Ti和Al，可能是擴(kuò)散焊過(guò)程中少量TiAl母材中的Ti和Al原子擴(kuò)散進(jìn)入GH2036母材中形成的。而在TiAl母材一側(cè)形成了“雙條帶”的反應(yīng)層，總寬度約為5μm。在緊鄰GH2036界面的深黑色窄帶（圖1中的“2”區(qū)）中能譜分析發(fā)現(xiàn)富集C原子，而且Ti和C原子比例接近1∶1，推測(cè)可能主要是GH2036中的C元素與TiAl中的活性元素Ti發(fā)生反應(yīng)生成的TiC相。而在稍寬的灰色條帶（圖1中的“3”區(qū)）中含有從GH2036中擴(kuò)散過(guò)來(lái)的Fe、Ni原子，特別是Fe原子含量較高，F(xiàn)e、Ni原子溶入TiAl母材后形成了新的物相，顯現(xiàn)出不同的襯度。

圖1 1000℃／20MPa／1h擴(kuò)散焊的TiAl／GH2036接頭組織Fig.1 Microstructure of TiAl／GH2036joint diffusion bonding at 1000℃／20MPa／1h

對(duì) TiAl／GH2036 在 1000℃／20MPa／1h 規(guī) 范 下直接擴(kuò)散焊獲得的接頭進(jìn)行了室溫剪切強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)得結(jié)果分別為12，17，20MPa，平均值僅為16MPa。焊縫中存在大量未焊合的孔洞，TiAl和GH2036界面結(jié)合較差，從而導(dǎo)致接頭性能低。由此可見(jiàn)，在1000℃擴(kuò)散焊，加壓20MPa保溫1h的高強(qiáng)規(guī)范下，不能獲得具有良好性能的TiAl／高溫合金異種材料組合接頭，有必要加入中間層改善TiAl和高溫合金的界面結(jié)合情況，同時(shí)還可以降低擴(kuò)散焊溫度和壓力。

表3 圖1中各微區(qū)成分能譜分析結(jié)果（原子分?jǐn)?shù)／%）Table 3 The composition of various microzones in fig.1analyzed by EDS（atom fraction／%）

2.2 TiAl／GH3536液相擴(kuò)散焊的接頭組織及性能

采用Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層，在935℃下加壓3MPa進(jìn)行TiAl／GH3536異種材料的液相擴(kuò)散焊，保溫時(shí)間為10min和1h兩種規(guī)范，獲得的接頭組織如圖2所示，焊縫中各微區(qū)的能譜分析結(jié)果列于表4中。從圖2中可以看出，通過(guò)加壓擠出部分熔化的中間層合金后最終形成的焊縫寬度僅有20μm左右，比之前Ti－Zr－Cu－Ni合金箔帶的厚度減少了60%。中間層合金與兩側(cè)母材TiAl和GH3536發(fā)生了界面反應(yīng)，均形成了一定厚度的反應(yīng)層（如圖2中Ⅰ，Ⅱ區(qū)所示）。保溫10min，TiAl和GH3536兩側(cè)反應(yīng)層厚度分別為5μm 和3μm；保溫時(shí)間延長(zhǎng)至1h，Ti－Zr－Cu－Ni中間層合金與兩側(cè)母材之間的反應(yīng)程度加劇，兩側(cè)界面形成的反應(yīng)層明顯增厚，分別達(dá)14μm和6μm。

圖2 935℃／3MPa／10min（a）和935℃／3MPa／1h（b）規(guī)范下擴(kuò)散焊的TiAl／GH3536接頭組織Fig.2 Microstructure of TiAl／GH3536joints diffusion bonding at the conditions of 935℃／3MPa／10min（a）and 935℃／3MPa／1h（b）

表4 圖2中各微區(qū)成分能譜分析結(jié)果（原子分?jǐn)?shù)／%）Table 4 The composition of various microzones in fig.2analyzed by EDS（atom fraction／%）

從圖2中還可以看出，935℃分別保溫10min和1h獲得的焊縫組織完全不同。保溫10min獲得的焊縫中存在多種物相，而且在焊縫中央還有貫穿性的裂紋存在（圖2（a）中箭頭）。保溫時(shí)間延長(zhǎng)至1h后，中間層合金元素向兩側(cè)母材充分?jǐn)U散，焊縫中形成的物相有所減少。從表4中列出的結(jié)果可以看出，保溫10min獲得的焊縫中主要有三類物相：一類是由于TiAl側(cè)母材中的Al原子向中間層合金基體中擴(kuò)散形成的（圖2中“1”區(qū)），一類是由于GH3536母材中的Ni原子向中間層合金基體中擴(kuò)散形成的（圖2中“2”區(qū)），第三類則是未充分?jǐn)U散的中間層合金殘留相（圖2中“4”，“5”區(qū)），其中還溶入了部分從TiAl母材中擴(kuò)散過(guò)來(lái)的Al原子。在剪切試樣斷口表面的X射線衍射圖譜中分析出焊縫中含有 Ti（Ni0.5Cu0.5）相（圖3（a））。推斷焊縫中的“3”區(qū)應(yīng)為中間層 Ti－Zr－Cu－Ni合金的Cu原子占據(jù)部分NiTi晶格點(diǎn)陣中的Ni原子位置所形成的 Ti（Ni0.5Cu0.5）相。在斷口表面 XRD圖譜中還檢測(cè)到了Ti3Al相和NiTi2相，說(shuō)明兩側(cè)母材中的Al和Ni原子向中間層合金擴(kuò)散后，已經(jīng)有少量的Ti3Al相、NiTi相和NiTi2相在靠近界面的焊縫中生成。

保溫時(shí)間延長(zhǎng)至1h，中間層 Ti－Zr－Cu－Ni合金中的各元素向兩側(cè)母材充分?jǐn)U散，同時(shí)從TiAl母材中擴(kuò)散進(jìn)入焊縫中的Al原子含量和從GH3536母材中擴(kuò)散進(jìn)入焊縫中的Ni原子含量都明顯提高，與Ti－Zr－Cu－Ni合金中的Ti原子發(fā)生反應(yīng)生成大量的Ti3Al相和 NiTi相（圖2中的“7”和“9”區(qū)）。Ti－Zr－Cu－Ni合金中的Cu，Zr原子則富集在“6”，“8”區(qū)，與其他元素形成新的物相。從剪切試樣斷口表面X射線衍射圖譜（圖3（b））可知，Al5Ni2Zr相和 Ti（Cu，Al）2相可能就分布在這些區(qū)域。

圖3 TiAl／GH3536擴(kuò)散焊接頭剪切斷口表面XRD圖譜 （a）935℃／3MPa／10min；（b）935℃／3MPa／1hFig.3 XRD patterns of the shear fracture for the TiAl／GH3536joints diffusion bonding at the condition of 935℃／3MPa／10min（a）and 935℃／3MPa／1h（b）

在935℃／3MPa／10min規(guī)范下獲得的擴(kuò)散焊縫中存在貫穿性的裂紋，導(dǎo)致接頭性能較差未能獲得強(qiáng)度數(shù)據(jù)。而935℃／3MPa／1h規(guī)范的 TiAl／GH3536接頭室溫剪切強(qiáng)度則達(dá)到125MPa，對(duì)比1000℃／20MPa／1h規(guī)范下直接擴(kuò)散焊的TiAl／GH2036接頭強(qiáng)度大幅度提高。

從上述兩種擴(kuò)散焊方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入中間層進(jìn)行TiAl和高溫合金異種材料組合的擴(kuò)散焊，相比兩種材料直接進(jìn)行擴(kuò)散連接，界面的結(jié)合情況得以改善，既提高了接頭的強(qiáng)度，同時(shí)也使擴(kuò)散焊溫度和壓力有所降低，是一種有效的TiAl和高溫合金異種材料連接方法。這與TiAl／鋼異種材料擴(kuò)散連接情況相似，在TiAl與40Cr鋼的真空擴(kuò)散連接中，由于脆性TiC的生成使得接頭性能不佳，為阻止脆性層的形成加入了多種純金屬作為中間層，從而提高了接頭強(qiáng)度［12］。而在本工作中采用的是TiAl合金釬焊料作為擴(kuò)散焊時(shí)的中間層，在擴(kuò)散焊溫度下中間層合金熔化，施加壓力能進(jìn)一步減少中間層用量，有利于減少對(duì)接頭性能不利的脆性相，采用合金化的中間層也比純金屬中間層更有利于獲得高強(qiáng)接頭。

3 結(jié)論

（1）在1000℃／20MPa／1h 規(guī)范下進(jìn)行了 TiAl／GH2036異種材料的直接擴(kuò)散焊，焊縫中存在大量未焊合的孔洞，接頭室溫剪切強(qiáng)度平均值僅有16MPa。TiAl和高溫合金異種材料組合連接不宜采用直接擴(kuò)散焊的方法進(jìn)行。

（2）采用Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層，在935℃／3MPa／10min規(guī)范下進(jìn)行了TiAl／GH3536異種材料組合的液相擴(kuò)散焊接。焊縫中存在Ti3Al，NiTi，Ni－Ti2等多種物相，還出現(xiàn)了貫穿性的裂紋。

（3）以 Ti－Zr－Cu－Ni合金作為中間層，在935℃／3MPa／1h規(guī)范下獲得了與TiAl和GH3536母材結(jié)合良好的無(wú)缺陷接頭，室溫剪切強(qiáng)度達(dá)到125MPa。焊縫中有Al5Ni2Zr相和Ti（Cu，Al）2相生成。

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Microstructures and Property of Diffusion Bonded Joints Between TiAl Alloy and Two Kinds of Superalloys

ZHOU Yuan，XIONG Hua－ping，MAO Wei，CHEN Bo，YE Lei
（Laboratory of Welding and Forging，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

Joining TiAl alloy and superalloy was carried out by diffusion bonding with and without interlayer.There existed many holes in the TiAl／GH2036joint under the diffusion bonding condition of 1000℃／20MPa／1h，and the average shear strength of joint at room temperature was only 16MPa.Using Ti－Zr－Cu－Ni alloy as the interlayer，liquid－phase diffusion bonding between TiAl and GH3536 was investigated at 935℃holding 10min and 1hunder the pressure of 3MPa.The joints diffusion boned under the two conditions were composed by multiple phases，such as Ti3Al and NiTi.As a result of the reaction between the interlayer and two base metals，two reaction layers with a certain thickness appeared in the both interface respectively.Sound joint was obtained under the diffusion bonding condition of 935℃／3MPa／1h，and the interlayer alloy exhibited strong cohesion with TiAl and GH3536.The corresponding shear strength of joint reached 125MPa.

TiAl alloy；superalloy；diffusion bonding；Ti－Zr－Cu－Ni alloy

TG454

A

1001－4381（2012）08－0088－04

2011－12－05；

2012－04－14

周媛（1981－），女，碩士，工程師，主要從事航空新材料的釬焊擴(kuò)散焊研究及航空新型焊接材料研制等，聯(lián)系地址：北京市81信箱20分箱（100095），E－mail：jeanzhouyuan＠yahoo.com.cn