TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結構釬焊工藝研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室 高興強 佀好學 岳喜山 靜永娟 李智淵

蜂窩夾層結構具有超輕質、高比強度和比剛度、消音、隔熱等諸多優(yōu)點，國內外現(xiàn)已廣泛應用于航空航天等領域，如飛機機身、舵翼面、發(fā)動機艙門等[1-2]。鈦合金蜂窩夾層結構在較高溫度下能夠長時間使用，并具有良好的疲勞壽命和耐腐蝕性能，可以滿足現(xiàn)代飛機在某些特殊條件下的使用要求[3-4]。鈦合金蜂窩夾層結構一般用釬焊方法將上下面板與中間蜂窩芯連接起來，如圖1所示[5]。鈦合金蜂窩夾層結構釬焊常用的釬料有鈦基釬料、鋁基釬料和銀基釬料，因鈦基釬料具有更高的高溫性能和更好的耐腐蝕性而受到普遍關注[6]。TA18（Ti-3Al-2.5V）鈦合金是從TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金演變而來的近α型α+β型鈦合金，雖不及TC4鈦合金強度高，但由于其具有優(yōu)異的冷成形性能和焊接性能、良好的高溫性能和耐腐蝕性能，已在航空航天領域廣泛應用[7]。TA18鈦合金冷成形性優(yōu)良，易用于制備蜂窩芯所用波紋帶，因而TC4/TA18蜂窩夾層結構具有良好的應用前景。

本文主要針對TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結構，采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔帶釬料進行真空釬焊，研究釬焊溫度、保溫時間對TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結構釬焊界面微觀組織的影響，分析釬焊界面的微觀組織特征，并對釬焊接頭進行拉脫性能測試。

1 試驗條件和方法

試驗件上下面板均為TC4鈦合金，蜂窩芯材料為TA18鈦合金，二者的化學成分如表1所示。試驗件蜂窩芯尺寸（D）為6.4mm，芯格壁厚（t）為0.08mm，蜂窩芯高度（h）為15mm，面板厚度為0.8mm。

表1 TC4鈦合金與TA18鈦合金的化學成分（質量分數(shù)）%

圖1 典型蜂窩夾層結構示意圖Fig.1 Diagram of typica l Honeycomb Sandwich construction

釬焊溫度明顯高于基體材料的相變溫度時，基體材料發(fā)生相變，長時間保溫使基體組織粗化，導致基體材料機械性能顯著下降；釬焊溫度過低時，釬料的流動性差，不能獲得滿意的釬焊接頭，因而釬焊溫度的選擇需綜合考慮釬料的熔點和基體材料的相變溫度。試驗選用釬料為Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni非晶箔帶釬料，其熔點為830℃～840℃，TA18鈦合金的相變溫度在920℃～930℃左右。本文選擇880℃、920℃和960℃3個釬焊溫度，60min、90min和120min 3個保溫時間進行研究，分析釬焊界面的微觀組織特征，并進行拉脫性能測試。

試驗在真空釬焊爐中進行，釬焊時真空度優(yōu)于4×10-3Pa。將試樣釬焊界面制作成金相試樣，在光學顯微鏡下觀察釬焊界面微觀組織特征，分析釬焊界面對試件力學性能的影響。參照ASTM C297將焊后的試樣用線切割分別切為50mm×50mm試驗件，進行拉脫性能測試，為保證試驗的準確性，每組試驗取5個試驗件。

2 釬焊界面微觀組織分析

TC4/TA18蜂窩釬焊接頭微觀組織大致可分為3個區(qū)域，如圖2（a）所示，靠近TC4面板一側為擴散區(qū)，主要為由α+β相組成的針狀魏氏組織，在釬焊接頭中由于釬料中的Cu和Ni元素向面板母材擴散，Cu和Ni為β相穩(wěn)定元素，降低了α相向β相的相變溫度，從而形成圖2（a）中所示Ⅰ區(qū)所示的魏氏組織；緊鄰擴散區(qū)的區(qū)域為未擴散均勻區(qū)，該區(qū)主要為β鈦，其中Cu、Ni元素未擴散完全，可能存在Ti與Cu、Ni元素的金屬間化合物，如圖2（a）中所示黑色區(qū)域Ⅱ區(qū)；靠近TA18蜂窩芯的區(qū)域為釬料凝固區(qū)，釬料凝固區(qū)與釬料的原始非晶狀態(tài)大不相同，其中主要為黑色圓形的Ti的固溶體和灰色的TiNi2（Cu，Zr）金屬間化合物，如圖2（a）中所示Ⅲ區(qū)[5]。

圖2 不同釬焊溫度下釬焊接頭的微觀組織Fig.2 Microstructure of joint brazed at different temperatures

2.1 釬焊溫度對接頭微觀組織的影響

釬焊溫度是影響釬焊接頭質量的重要因素，分別選取釬焊溫度為880℃、920℃、960℃，釬焊保溫時間為60min時，釬料添加量為80μm，接頭的微觀組織如圖2所示。圖2（a）所示為880℃/60min時釬焊接頭的微觀組織，由于釬焊溫度較低，原子擴散能力較差，針狀的魏氏組織區(qū)域寬度只有約50μm，未擴散均勻區(qū)中形成的金屬間化合物較多，該金屬間化合物為脆性相，該區(qū)域為釬焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)，寬度大約有80μm；當920℃/60min時，釬焊接頭微觀組織如圖2（b）所示，從中可以明確看出在母材靠近焊縫附近有一層長大的等軸狀晶粒，此時擴散能力較880℃/60min時有所提高，擴散區(qū)增大，約為65μm，未擴散均勻區(qū)中脆性金屬間化合物較少，該區(qū)域約為50μm，釬料凝固區(qū)變化不大，蜂窩芯的微觀組織如圖3（a）所示；960℃/60min時，原子擴散能力強，擴散區(qū)約有80μm，未擴散均勻區(qū)僅有30μm，如圖2（c）所示，而此時釬焊溫度遠高于蜂窩芯基體材料的相變點，釬焊過程中基體發(fā)生相變，晶粒長大粗化，如圖3（b）所示，嚴重影響釬焊接頭機械性能，此時TA18鈦合金蜂窩芯體成為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2 保溫時間對接頭微觀組織的影響

圖3 不同釬焊溫度下蜂窩芯的微觀組織Fig.3 Microstructure of honeycomb core brazed at different temperatures

圖4 不同保溫時間下釬焊接頭微觀組織Fig.4 Microstructure of joint brazed for different holding time

保溫時間也是釬焊的一個重要參數(shù)，延長保溫時間，有利于元素的擴散。選取釬焊保溫時間分別為60min、90min、120min，釬焊溫度為 920℃，釬料添加量為80μm時，920℃/60min接頭的微觀組織如圖2（b）所示。920℃/90min、920℃/120min接頭的微觀組織如圖4所示。從圖4（a）中可看出，920℃/90min時，釬料擴散更加充分，未擴散均勻區(qū)幾乎完全消失，接頭主要為α+β相組成的魏氏組織，其寬度大約為120μm，此釬焊界面為較理想釬焊界面。當保溫時間延長到120min時，釬焊接頭也主要為α+β相組成的魏氏組織，但由于保溫時間過長，針狀的魏氏組織及蜂窩芯組織有所長大，如圖4（b）所示。

3 釬焊接頭強度研究

3.1 釬焊溫度對接頭強度的影響

釬焊溫度為880℃、920℃、960℃，釬焊保溫時間為60min，釬料添加量為80μm時，蜂窩夾層結構釬焊接頭的室溫拉脫強度如表2所示。由表中可以看出，接頭的室溫拉脫強度隨釬焊溫度的升高先增大后減小。釬焊溫度為880℃和920℃時，釬焊接頭的室溫拉脫強度，平均值分別為10.43MPa和16.20MPa，接頭的破壞方式均為蜂窩芯與面板開焊，蜂窩芯與面板的連接界面為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)，這可能是由于接頭釬焊界面形成較多脆性金屬間化合物；釬焊溫度升高到960℃時，接頭的室溫拉脫強度略有降低，平均值為14.69MPa，接頭破壞方式為蜂窩芯壞，強度下降是由于釬焊溫度過高，蜂窩芯基體發(fā)生相變，晶粒長大粗化，而使蜂窩芯成為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 釬焊保溫時間對接頭強度的影響

選取釬焊保溫時間分別為60min、90min、120min，釬焊溫度為920℃，釬料添加量為80μm時，蜂窩夾層結構釬焊接頭的室溫拉脫強度如表3所示。釬焊保溫時間為60min時，由于釬焊界面存在脆性金屬間化合物而使接頭強度較低；當保溫時間延長至90min時，釬料中元素擴散充分，焊縫中主要為針狀的α+β相組成的魏氏組織，此時蜂窩芯為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)，接頭強度有大幅提高，平均值約為19.82MPa；保溫時間增加至120min時，由于釬焊界面組織長大，接頭強度有一定程度的降低。由此可見，釬焊溫度為920℃時，釬焊保溫時間為90min為最優(yōu)工藝，此時接頭的破壞形式為蜂窩芯壞，如圖5所示。

表2 不同釬焊溫度下接頭的室溫拉脫強度MPa

表3 不同釬焊保溫時間下接頭的室溫拉脫強度MPa

圖5 采用920℃/90min參數(shù)時接頭室溫拉脫破壞形式Fig.5 Mode of tensile failure of joint brazed at 920℃ /90min at room temperature

4 結論

本文通過分析TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結構接頭微觀組織，研究釬焊溫度、釬焊保溫時間對接頭的影響，優(yōu)化出適用于該規(guī)格TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結構的釬焊工藝，并通過測試接頭的拉脫強度，驗證了優(yōu)化的釬焊工藝。

（1）釬焊溫度為880℃時，保溫時間為60min時，釬料中的Cu、Ni元素擴散不充分，易在釬焊界面形成脆性金屬間化合物；釬焊溫度升高至960℃，保溫時間為60min時，TA18鈦合金蜂窩芯發(fā)生相變，晶粒長大粗化；保溫時間增加至120min，釬焊溫度920℃時，焊縫晶粒粗化。脆性金屬間化合物生成及晶粒粗化均對接頭產生不利的影響。

（2）在920℃，保溫90min，添加釬料80μm時，釬料中的Cu、Ni元素擴散較充分，接頭為α+β相組成的魏氏組織，TA18鈦合金蜂窩芯與焊縫魏氏組織均不發(fā)生粗化。920℃、保溫90min、添加釬料80μm為TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結構的最優(yōu)釬焊工藝，在該工藝參數(shù)下接頭的室溫拉脫強度平均值最高，可達19.82MPa，破壞形式為蜂窩芯壞。

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