TIAL基合金真空釬焊接頭組織性能分析

李龍慶 ，王 艷 ，宋曉國(guó) ，劉國(guó)軍 ，盧 紅

（1.西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 前言

TiAl基合金被公認(rèn)為是代替鈦合金和鎳基高溫合金的理想材料，應(yīng)用前景廣闊，是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ妮p質(zhì)高溫材料[1]；另外TiAl基合金具有密度低、彈性模量高、高溫力學(xué)性能好和抗氧化等特點(diǎn)，是一種剛剛興起而又很有發(fā)展前途的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，可望在航空、航天和軍工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[2]。

TiAl基合金在工程上要想得到廣泛的應(yīng)用，必然要涉及到焊接問題，包括其自身的焊接及與其他材料的焊接，關(guān)于TiAl基合金的焊接，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已展開了相關(guān)的研究工作，根據(jù)其焊接性表明，釬焊是實(shí)現(xiàn)TiAl基合金連接較為合適的一種方法；本研究對(duì)其TiAl基合金自身的焊接展開研究，采用Ti-Ni-V釬料作為中間層，利用真空釬焊技術(shù)對(duì)其進(jìn)行連接。

1 試驗(yàn)材料和方法

把 Ti-Ni-V(37.5%Ti，37.5Ni，25%V)合金加工為200 μm的薄片，TiAl合金加工成兩個(gè)不同的尺寸，分別是 5 mm×5 mm×2.5 mm 和 20 mm×10 mm×2.5 mm，釬料尺寸 5 mm×5 mm×0.2 mm，按照 TiAl/釬料/TiAl的順序裝配好，并放入型號(hào)為Centorr6-1650-15T真空熱壓爐中進(jìn)行釬焊，在焊接過程中，真空度保持在1.3×10-3Pa，所選釬料和真空釬焊工藝參數(shù)如表1所示。焊后接頭微觀組織形態(tài)在型號(hào)為日立S-570掃描電鏡(SEM)上進(jìn)行觀察，通過能譜儀(EDS)測(cè)定各反應(yīng)相成分；利用萬能試驗(yàn)機(jī)(英斯特朗拉力機(jī)1186)對(duì)其接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測(cè)試；剪切試樣尺寸和裝配方式如圖1所示。

表1 真空釬焊工藝參數(shù)Tab.1 The process parameters of vacuum brazing

圖1 剪切試樣尺寸和裝配方式Fig.1 Shear specimens size and assemble mode

2 結(jié)果和分析

2.1 溫度對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

由表2可知，接頭剪切強(qiáng)度隨著釬焊溫度的升高而逐漸增加，當(dāng)釬焊溫度達(dá)到1220℃時(shí)，剪切強(qiáng)度則隨著溫度的增加而降低，所以在1220℃、10 min的工藝條件下能獲得良好的接頭，剪切強(qiáng)度達(dá)196 MPa。當(dāng)溫度較低時(shí)，釬料未完全融化，與母材反應(yīng)不充分，雖然可以實(shí)現(xiàn)連接，但是剪切強(qiáng)度不高，當(dāng)溫度提高到1220℃，界面反應(yīng)很充分，得到均勻的兩相組織和少量的精細(xì)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)相對(duì)強(qiáng)度較高，但是由于溫度進(jìn)一步提高使得脆性τ3-Al3NiTi2金屬間化合物的不斷析出，造成接頭剪切強(qiáng)度隨之下降，這種脆硬相對(duì)剪切強(qiáng)度的影響效果很明顯。

表2 不同釬焊溫度下接頭的剪切強(qiáng)度Tab.2 Shear strength of brazing joints at different temperature

2.2 接頭組織分析

圖2顯示了釬焊時(shí)間10 min、不同溫度下焊接接頭的掃描電鏡背散射電子圖像，隨著溫度增加，焊縫的組織形態(tài)和界面結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化。在釬焊溫度1180℃和1200℃時(shí)，焊縫中間殘留未熔化的釬料，出現(xiàn)連續(xù)層，見圖2b；隨著溫度的增加釬料逐漸熔化，原子不斷擴(kuò)散，不僅TiNiV釬料中的元素向TiAl合金中擴(kuò)散，同樣TiAl合金中的元素也向中間焊縫擴(kuò)散，由原來釬料厚度為200μm增加到焊縫區(qū)域厚度為400 μm，接頭反應(yīng)強(qiáng)烈，連續(xù)層消失，見圖2c。結(jié)合EDS分析結(jié)果得知，圖2中標(biāo)記的A、B、D、F、G區(qū)域均為B2相，主要由于在釬焊的過程中元素間的不斷擴(kuò)散，使得固液界面上V元素含量增加，而V元素具有穩(wěn)定TiAl合金β相的作用，同時(shí)隨著反應(yīng)的進(jìn)行它促進(jìn)了層片組織(γ+α2)向B2的轉(zhuǎn)變，在冷卻的過程中，B2相逐漸形成并且穩(wěn)定存在于組織中。除了B2相以外，組織中還有一個(gè)重要的相，與B2相和TiAl合金中的相有很大的區(qū)別，它的成分中Ni含量占有較大的比例，可以推斷在釬焊后又形成新相，根據(jù)P.Rogl的研究[3]，此相為τ3-Al3NiTi2。

圖2 不同釬焊溫度下釬焊接頭的背散射電子圖像BEI

表3 圖2標(biāo)記區(qū)域成分分析(EDS)%Tab.3 Composition analysis in mark area with Fig.2(EDS)

從圖2c、2d、2e中可以清晰的看到釬焊接頭由三個(gè)區(qū)域組成，分別是釬縫中心區(qū)、致密網(wǎng)狀區(qū)和不連續(xù)析出區(qū)；同時(shí)也可看到在致密網(wǎng)狀區(qū)內(nèi)B2相被τ3-Al3NiTi2金屬間化合物包圍，并且隨著溫度的升高τ3-Al3NiTi2相析出得越多，主要是由于在冷卻的過程中B2相直接從熔融的釬焊金屬中析出，而大量的Ni元素就會(huì)富集在剩余的熔融釬料上，接著在B2相的邊界上與Ti和Al進(jìn)行反應(yīng)形成τ3-Al3NiTi2相；進(jìn)一步冷卻，Ni元素在B2相上的溶解度降低，使得τ3-Al3NiTi2相在B2相邊緣不斷析出沉淀。

3 結(jié)論

（1）利用真空釬焊技術(shù)和TiNiV釬料作為中間層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TiAl基合金的連接，并且在1220℃、10 min的工藝條件下接頭的剪切強(qiáng)度可以達(dá)到196 MPa。

（2）不同釬焊溫度下得到的焊接接頭界面形態(tài)是不同的，釬焊溫度低于1220℃時(shí)存在連續(xù)層，溫度達(dá)到和高于1200℃時(shí)連續(xù)層消失。

（3）雖然釬焊溫度對(duì)界面結(jié)構(gòu)的影響很大，但是幾種釬焊溫度下釬焊接頭均得到相同的相，B2相和 τ3-Al3NiTi2相。

[1]Tetsui T，Ono S.Endurance and composition and microstructure effects on endurance of TiAl used in turbochargers[J].Intermetallics 1999（7）：689-97.

[2]陳 波，熊華平，毛 唯，等.TiAl基合金的釬焊研究[D].航空航天焊接國(guó)際論壇，2004.

[3]B.Huneau，P.Rogl，K.Zeng，et al.The ternary system Al-Ni-Ti Part I：Isothermal section at 900 ℃；Experimental investigated and thermodynamic calculation[J].Intermetallics，1999（7）：1337-45.