鈦合金夾層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散釬焊工藝研究

趙 鼎，劉 琳，孫龍飛

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072； 2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性、綜合性能優(yōu)越等特點(diǎn)，使其在核工業(yè)、航空航天、船舶、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[1]。鈦元素化學(xué)性質(zhì)非常活潑，鈦與大多數(shù)金屬均形成脆性金屬間化合物，其釬焊接頭具有難以克服的脆性且強(qiáng)度不高，固相擴(kuò)散連接有加壓條件要求，限制了其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。而擴(kuò)散釬焊綜合了釬焊和固相擴(kuò)散連接的優(yōu)點(diǎn)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢，占據(jù)著鈦合金焊接的重要地位。隨著鈦合金在航天產(chǎn)品復(fù)雜構(gòu)件中的應(yīng)用，如新型層板式噴注器結(jié)構(gòu)、蜂窩及波紋板夾層結(jié)構(gòu)和骨架蒙皮結(jié)構(gòu)等金屬隔熱及承力結(jié)構(gòu)等[2]，擴(kuò)散釬焊工藝技術(shù)必定成為一種高效的連接方式得到廣泛的推廣。

目前，國內(nèi)外大部分鈦合金擴(kuò)散連接研究[3～6]均采用棒狀或板狀零件進(jìn)行，接頭形式為對(duì)接或搭接形式，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械加壓。但對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)零件的擴(kuò)散連接工藝研究較小，且夾層結(jié)構(gòu)限制了機(jī)械加壓的應(yīng)用，不利于零件的貼合，無法形成可靠的接頭質(zhì)量，因此有必要開展夾層結(jié)構(gòu)零件的擴(kuò)散釬焊工藝研究，摸索合適的焊接工藝參數(shù)，提高接頭強(qiáng)度。

采用Dictra動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算軟件，以TC4鈦合金為研究對(duì)象，基于正交試驗(yàn)方法，模擬不同的工藝參數(shù)下(中間層厚度、連接溫度、保溫時(shí)間)的中間層元素濃度在鈦合金連接界面的互擴(kuò)散規(guī)律，確定不同的工藝參數(shù)對(duì)中間層元素?cái)U(kuò)散距離的影響程度，同時(shí)結(jié)合鈦合金夾層結(jié)構(gòu)零件的焊接試驗(yàn)和焊縫組織金相分析，判定模擬計(jì)算的可行性與可預(yù)測性，為鈦合金夾層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散釬焊工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化提供依據(jù)，縮短研制周期，節(jié)約試驗(yàn)成本。

1 模擬方法及模型建立

Dictra軟件是一種模擬多元系統(tǒng)中擴(kuò)散控制相轉(zhuǎn)變的軟件包，該程序基于材料不同區(qū)域內(nèi)多元擴(kuò)散方程的數(shù)值解，求得不同溫度、時(shí)間、壓力下的元素濃度分布。其主要原理[7-8]如下：

(1)

(2)

(3)

模擬對(duì)象為TC4鈦合金，中間層選用Cu[9]，本文研究的是同種材料的擴(kuò)散釬焊問題，相對(duì)于某一寬度區(qū)域的無限系統(tǒng)中的擴(kuò)散，建立擴(kuò)散釬焊接頭的模擬擴(kuò)散模型見圖1，可取模型的半側(cè)進(jìn)行模擬。假設(shè)中間層Cu鍍層全部溶化，為液相，寬度為15 μm，TC4母材為固相，中間層在母材中的擴(kuò)散距離不大于400 μm。因界面兩側(cè)相的成分不同，在Dictra模擬過程中，選用移動(dòng)界面模型，中間層元素初始濃度為100%，TC4母材中Al元素初始濃度為6%，V元素初始濃度為4%，剩余的為Ti元素，忽略雜質(zhì)的影響。

圖1 Dictra軟件中模擬擴(kuò)散模型Fig.1 Analog diffusion model in software Dictra

因界面有Ti-Cu共晶液相的產(chǎn)出，有利于連接界面的潤濕和貼合，鈦合金擴(kuò)散釬焊對(duì)連接壓力、焊件表面處理等工藝參數(shù)要求不高，中間層厚度、連接溫度、保溫時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度影響較大。模擬試驗(yàn)選用中間層厚度、連接溫度、保溫時(shí)間為試驗(yàn)因子，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料[10-11]確定每個(gè)因子取四個(gè)水平，如表1所示，以正交試驗(yàn)表L16(45)為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，共進(jìn)行16組中間層元素濃度分布的模擬計(jì)算，以中間層元素的擴(kuò)散距離為試驗(yàn)結(jié)果，摸索工藝參數(shù)對(duì)界面附近中間層元素?cái)U(kuò)散距離的影響趨勢。同時(shí)，針對(duì)噴管的特殊型面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行夾層結(jié)構(gòu)模擬件的擴(kuò)散釬焊試驗(yàn)，驗(yàn)證模擬計(jì)算的正確性。并對(duì)擴(kuò)散接頭的微觀組織進(jìn)行觀察，從微觀的角度研究工藝參數(shù)對(duì)組織接頭的影響。

表1 因子水平表Tab.1 Factor level list

2 模擬結(jié)果分析

通過模擬中間層Cu元素在鈦合金TC4中的擴(kuò)散濃度分布，各參數(shù)下接頭界面附近Cu元素的擴(kuò)散距離和最大剩余濃度見下表2，Cu濃度分布曲線見圖2。

表2 基于正交試驗(yàn)的Cu元素濃度分布表Tab.2 Distribution of Cu element concentration based on orthogonal experiment

從表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中間層厚度為10 μm和15 μm時(shí)，界面Cu元素剩余最大濃度為12%～40%，而中間層厚度為20 μm和25 μm時(shí)，界面Cu元素剩余最大濃度為33%～85%，原因分析可能為：(1)中間層太厚，在限定的工藝參數(shù)下，連接溫度880～970 ℃，保溫時(shí)間20～50 min，擴(kuò)散動(dòng)力不足，Cu元素?cái)U(kuò)散不充分，在界面大量殘留；(2)可能界面已生成TixCuy金屬間化合物，結(jié)合Cu-Ti共晶相圖分析，Cu元素在母材TC4中擴(kuò)散過程中，有可能生成TiCu3，Ti2Cu3，TiCu，Ti2Cu等金屬間化合物，其Cu含量分別為79.9%，66.5%，57%和39.8%，模擬計(jì)算中界面Cu元素剩余最大濃度與TixCuy金屬間化合物中Cu元素的濃度接近。TixCuy金屬間化合物為脆性相，在鈦合金材料擴(kuò)散連接中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生?；谏鲜龇治?，表明鈦合金擴(kuò)散釬焊的中間層厚度應(yīng)不大于20 μm。

以仿真計(jì)算得出的中間層Cu元素的擴(kuò)散距離為試驗(yàn)結(jié)果，采用方差分析法，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出中間層厚度、連接溫度、保溫時(shí)間的方差分析表，見表3。當(dāng)取顯著水平α=0.01，由F分布分位表可得臨界值F1-α(fj，fe)=F0.99(3，6)=9.78，fj=t-1為因子自由度，t為因子的不同水平個(gè)數(shù)，fe為正交試驗(yàn)表中所有空列對(duì)應(yīng)的自由度相加。因連接溫度的F值F2=59.0>9.78，保溫時(shí)間F3=28.7>9.78，中間層F1=3.7<9.78。分析可知，連接溫度、保溫時(shí)間對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響，而中間層厚度對(duì)中間層的擴(kuò)散距離沒有顯著影響，即可認(rèn)為中間層厚度是影響擴(kuò)散距離的次要因素。連接溫度對(duì)擴(kuò)散距離影響最大，其次為保溫時(shí)間。各因素對(duì)中間層擴(kuò)散距離的影響的主次順序是連接溫度>保溫時(shí)間>中間層厚度。

圖2 部分基于正交試驗(yàn)的Cu元素濃度分布規(guī)律Fig.2 Some distribution of Cu element concentration based on orthogonal experiment

方差來源平方和自由度均方和F值顯著性厚度S1=3469f1=3S1/f1=11563F1=37連接溫度S2=55719f2=3S2/f2=18573F2=590??保溫時(shí)間S3=27069f3=3S3/f3=9023F3=287?誤差Se=1888fe=6Se/fe=3147

為了更為直觀地看出工藝參數(shù)(中間層厚度、連接溫度、保溫時(shí)間)對(duì)中間層Cu元素?cái)U(kuò)散的影響規(guī)律，繪制各工藝參數(shù)下中間層Cu元素濃度分布趨勢圖(圖3，圖4和圖5)。鈦合金擴(kuò)散釬焊的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為中間層厚度10 μm、連接溫度970 ℃，保溫時(shí)間為50 min。

圖3 中間層厚度對(duì)擴(kuò)散距離的影響趨勢Fig.3 Influence of interlayer thickness on diffusion distance

圖4 連接溫度對(duì)擴(kuò)散距離的影響趨勢Fig.4 Influence of bonding temperature on diffusion distance

圖5 保溫時(shí)間對(duì)擴(kuò)散距離的影響趨勢Fig.5 Influence of temperature holding time on diffusion distance

3 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)以TC4材料夾層結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件(如圖6所示)為研究對(duì)象，其中蓋板為TC4板材，底板為TC4棒材，底板上槽寬/筋寬比為3。

焊接試驗(yàn)在真空釬焊爐中進(jìn)行，為防止鈦合金氧化，將零件放入保護(hù)工裝中，并對(duì)其抽真空，真空度小于8×10-6MPa，同時(shí)對(duì)爐膛內(nèi)充氬氣，壓強(qiáng)達(dá)到0.18 MPa，利用高溫下氣體壓差及工裝材料的高溫蠕變，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾層結(jié)構(gòu)零件的加壓，保證蓋板與底板的貼合。焊后，進(jìn)行試驗(yàn)件的液腔強(qiáng)度試驗(yàn)，以其液壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)散釬焊接頭強(qiáng)度約為液腔強(qiáng)度的3倍。同時(shí)對(duì)擴(kuò)散接頭的微觀組織進(jìn)行觀察，從微觀的角度研究工藝參數(shù)對(duì)組織接頭的影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以正交實(shí)驗(yàn)表為基礎(chǔ)，嚴(yán)格按正交試驗(yàn)方案進(jìn)行鈦合金夾層結(jié)構(gòu)模擬件的擴(kuò)散釬焊試驗(yàn)，以液壓強(qiáng)度來評(píng)定焊接接頭的強(qiáng)度，利用方差分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?？傻贸鲋虚g層厚度、連接溫度、保溫時(shí)間對(duì)鈦合金夾層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散釬焊接頭強(qiáng)度的影響趨勢為連接溫度>保溫時(shí)間>中間層厚度(圖8，9，10)。液腔強(qiáng)度試驗(yàn)后的夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件見圖7。

圖6 夾層結(jié)構(gòu)零件擴(kuò)散釬焊示意圖Fig.6 Diagram for diffusion brazing of sandwich structure parts

圖7 夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件Fig.7 Test piece with sandwich structure

由圖8可以看出，中間層厚度從10 μm變化到25 μm范圍里，接頭強(qiáng)度范圍為109～112 MPa，變化幅度為3 MPa。隨著中間層厚度的增加，接頭強(qiáng)度先增大后減少，當(dāng)中間層厚度為20 μm，接頭強(qiáng)度最大，隨后接頭強(qiáng)度降低，表明中間層厚度20 μm，為一個(gè)臨界值，鈦合金擴(kuò)散釬焊中間層的厚度應(yīng)不超過該值，符合模擬計(jì)算的結(jié)果，表明模擬計(jì)算的正確性。

由圖9可以看出，連接溫度在880～970 ℃，接頭強(qiáng)度波動(dòng)范圍為75～140 MPa，變化幅度為65 MPa。由圖10可以看出，保溫時(shí)間在20～50 min，接頭強(qiáng)度波動(dòng)范圍為94～129 MPa，變化幅度為35 MPa。通過分析工藝參數(shù)對(duì)夾層結(jié)構(gòu)零件液壓強(qiáng)度的影響趨勢，明顯看出保溫時(shí)間-液壓強(qiáng)度的斜率比連接溫度-液壓強(qiáng)度的斜率平緩，而中間厚度-液壓強(qiáng)度的斜率，幾乎成直線，因此可以認(rèn)為連接溫度對(duì)夾層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散釬焊的接頭強(qiáng)度影響最大，保溫時(shí)間次之，中間層厚度的影響最小，可忽略。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為中間層厚度20 μm、連接溫度970 ℃，保溫時(shí)間為50 min。工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響趨勢，與模擬計(jì)算的結(jié)果一致，表明了所建擴(kuò)散釬焊模型的正確性。

圖8 中間層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響趨勢Fig.8 Influence of interlayer thickness on joint strength

圖9 連接溫度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響趨勢Fig.9 Influence of bonding temperature on joint strength

圖10 保溫時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度的影響趨勢Fig.10 Influence of temperature holding time on joint strength

4.1 連接溫度對(duì)焊接接頭的影響

由圖9可以看出，隨著連接溫度的提高，接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)遞增的趨勢。在880～910 ℃區(qū)間，接頭強(qiáng)度顯著增大，增幅為36 MPa，相比較而言，在910～970 ℃區(qū)間，接頭強(qiáng)度緩慢增大，增幅為29 MPa，可見連接溫度910 ℃為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，鈦合金擴(kuò)散釬焊溫度應(yīng)高于該值。

可知，溫度是擴(kuò)散系數(shù)的決定因素，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，中間層元素?cái)U(kuò)散速度越快，使得擴(kuò)散越來越充分，因此接頭強(qiáng)度上升。

當(dāng)保溫時(shí)間為50 min時(shí)，不同溫度下試驗(yàn)件(13#，10#，7#，4#)焊縫的金相組織見圖11。接頭區(qū)域基本分為3個(gè)層次，蓋板TC4板材固溶體、反應(yīng)層和底板TC4棒材固溶體，13#，10#，7#和4#試驗(yàn)件反應(yīng)層厚度分別為90 μm，130 μm，130 μm和260 μm，反應(yīng)層中心最高Cu含量為20.36%，12.36%，5.99%和4.89%，其中試驗(yàn)件13#和10#可觀察到白亮色的富銅組織，見圖11(a)和11(b)。當(dāng)連接溫度為880 ℃與910 ℃時(shí)，溫度偏低，擴(kuò)散動(dòng)力不足，中間層Cu元素?cái)U(kuò)散不充分，接頭強(qiáng)度偏低；當(dāng)連接溫度為970 ℃時(shí)，接頭強(qiáng)度最高，但是該溫度接近TC4的相變溫度，模盒接頭區(qū)域晶粒已過分長大，見圖11(d)，使得接頭變硬而脆，其韌性變差。當(dāng)連接溫度為940 ℃時(shí)，接頭強(qiáng)度滿足要求，接頭區(qū)域?yàn)獒槧钗菏辖M織，Cu元素?cái)U(kuò)散較為充分，焊角飽滿，見圖11(c)，分析認(rèn)為在該溫度下，高于共晶溫度50 ℃，有利于共晶液相的流動(dòng)和界面的貼合，可見，擴(kuò)散溫度940 ℃相對(duì)較為合理。

4.2 保溫時(shí)間對(duì)焊接接頭的影響

由圖10可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長，接頭強(qiáng)度呈逐步上升的趨勢，增幅為35 MPa。在20n～30 min區(qū)間，接頭強(qiáng)度顯著增大，增幅為23 MPa，在30～50 min增幅為12 MPa，可見保溫時(shí)間30 min為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，鈦合金擴(kuò)散釬焊保溫時(shí)間應(yīng)高于30 min。

當(dāng)保溫30 min和40 min時(shí)，接頭強(qiáng)度變化不大，幅度約為4 MPa。原因分析可能是因?yàn)樵?0～40 min小范圍里，中間層的元素?cái)U(kuò)散程度差不多，此時(shí)接頭強(qiáng)度呈穩(wěn)定的趨勢。但是從總體的接頭強(qiáng)度與保溫時(shí)間趨勢曲線來看，隨著保溫時(shí)間的延長，中間層元素?cái)U(kuò)散深度不斷的增加，擴(kuò)散也越來越充分，接頭強(qiáng)度增大。從試驗(yàn)件的爆破情況來看，當(dāng)保溫20 min和30 min時(shí)，大部分都鼓起或在低壓力下爆破，因此保溫時(shí)間應(yīng)盡量超過30 min。

圖11 不同溫度下焊縫金相組織Fig.11 Metallographic structure of joints at different temperatures

當(dāng)連接溫度為940 ℃時(shí)，不同保溫時(shí)間下試驗(yàn)件(11#，15#，3#，7#)焊縫的金相組織見圖12。11#，15#，3#和7#試驗(yàn)件反應(yīng)層厚度分別為130 μm，150 μm，120 μm和130 μm，反應(yīng)層中心最高Cu含量為10.33%，9.02%，7.08%和5.99%。試驗(yàn)件11#和15#接頭區(qū)域可觀察到少量的富銅組織，表明當(dāng)保溫時(shí)間為20～30 min時(shí)，中間層Cu元素來不及擴(kuò)散，影響接頭強(qiáng)度；試驗(yàn)件3#，保溫時(shí)間為40 min，焊縫組織為擴(kuò)散充分的針狀魏氏組織，但存在孔洞缺陷；試驗(yàn)件7#，保溫時(shí)間為50 min，接頭區(qū)域?yàn)獒槧钗菏辖M織，與試驗(yàn)件3#相比，組織未見粗大，表明當(dāng)保溫時(shí)間為50 min，焊縫組織不會(huì)長大。可見，選取保溫時(shí)間為50 min，較為合理。

結(jié)合鈦合金夾層結(jié)構(gòu)零件的液壓強(qiáng)度和焊縫微觀組織分析可知，較優(yōu)工藝參數(shù)組合為中間層厚度20 μm、連接溫度為940 ℃，保溫時(shí)間為50 min，能滿足產(chǎn)品的使用要求，焊縫強(qiáng)度約為TC4母材強(qiáng)度的50%。

圖12 不同保溫時(shí)間下焊縫金相組織Fig.12 Metallographic structure of welded joints at different temperature holding times

5 結(jié)論

1)建立了鈦合金擴(kuò)散釬焊的擴(kuò)散模型，通過該模型計(jì)算了中間層Cu元素的分布規(guī)律，為工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，結(jié)果表明鈦合金擴(kuò)散釬焊的中間層厚度不宜超過20 μm；連接溫度、保溫時(shí)間對(duì)中間層Cu元素的擴(kuò)散距離有顯著影響，而中間層厚度對(duì)擴(kuò)散距離沒有顯著影響，工藝參數(shù)對(duì)中間層元素的擴(kuò)散距離的影響程度為連接溫度>保溫時(shí)間>中間層厚度。

2)通過鈦合金夾層結(jié)構(gòu)模擬件的液壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，表明鈦合金擴(kuò)散釬焊中間層厚度不宜超過20 μm，工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響趨勢為連接溫度>保溫時(shí)間>中間層厚度，符合模擬計(jì)算的結(jié)果；最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為：中間層厚度為20 μm，連接溫度為940 ℃，保溫時(shí)間為50 min，接頭強(qiáng)度約為母材強(qiáng)度的50%，達(dá)到了產(chǎn)品的使用要求。

3)接頭強(qiáng)度隨連接溫度的提高急劇增大，當(dāng)連接溫度為880～910 ℃時(shí)，接頭區(qū)域存在富銅組織，連接溫度應(yīng)高于910 ℃；連接溫度為970 ℃，接頭區(qū)域晶粒變大并脆化，降低了接頭的力學(xué)性能；連接溫度為940 ℃，接頭區(qū)域?yàn)槲菏辖M織，力學(xué)性能較優(yōu)。接頭強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的延長逐漸增大，當(dāng)連接溫度為940 ℃時(shí)，保溫時(shí)間為20～30 min時(shí)，接頭區(qū)域存在富銅組織，保溫時(shí)間應(yīng)大于30 min；保溫時(shí)間為50 min時(shí)，晶粒無粗大現(xiàn)象。

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