鈦合金與鋼異種材料釬焊研究現(xiàn)狀

, , ,

(1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116023;2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

0 前言

鈦合金具有密度低、比強度高、耐高溫、韌性好、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的加工性等優(yōu)點，被譽為當(dāng)代崛起的第三金屬，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、船舶、化工能源等領(lǐng)域[1-3]。鈦合金中的TC4(Ti-6Al-4V)占生產(chǎn)總量的30%[4]，屬于α+β鈦合金，沒有脆硬化合物沉淀問題，具有綜合性能高、焊接性能良好等優(yōu)點，在航空航天工業(yè)中用作飛機襟翼導(dǎo)力框、發(fā)動機吊架、直升機旋葉托座等。TiAl合金作為一種金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度高、高溫性能好及耐腐蝕性良好等優(yōu)點，在發(fā)展新型發(fā)動機方面有巨大潛力。2007年美國波音公司宣布，其787民用客機使用的發(fā)動機GENX低壓渦輪后兩級葉片采用TiAl合金，減輕發(fā)動機質(zhì)量約362.9 kg[5-6]。目前限制鈦合金應(yīng)用推廣的主要問題是成本高昂，而鋼是最常用的結(jié)構(gòu)材料，具有一系列優(yōu)異的性能，如力學(xué)性能、焊接性、熱穩(wěn)定性等，且成本低廉[7-8]。因此，鈦及鈦合金與鋼的復(fù)合構(gòu)件，能充分發(fā)揮兩種材料在性能和經(jīng)濟上的優(yōu)勢[9]，在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，如發(fā)動機油管接頭、轉(zhuǎn)子盤、葉片接頭及衛(wèi)星用新型燃料噴注器等，鈦合金與鋼異種材料連接研究得到了越來越多研究者的關(guān)注[10-11]。為闡明鈦合金與鋼異種材料釬焊連接難點及研究現(xiàn)狀，進行了鈦/鋼釬焊研究綜述，系統(tǒng)闡述了銀基釬料、鈦基釬料、瞬時液相擴散焊及復(fù)合中間層工藝連接鈦/鋼的研究成果。

1 鈦合金和鋼焊接難點

異種金屬的焊接性取決于它們在物理以及化學(xué)性能上的相容性。鈦合金與鋼性能差異顯著，首先表現(xiàn)在物理性能方面，工業(yè)純鈦和純鐵的主要熱物理性能參數(shù)見表1?？梢钥闯觯F和鈦在密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)與線膨脹系數(shù)上存在明顯差異[12]，導(dǎo)致二者焊后殘余應(yīng)力較大，難以形成良好焊縫，嚴(yán)重時甚至開裂以致于不能形成接頭[13]。其次是化學(xué)性能方面，從圖1a可以看出室溫下鐵在鈦中的固溶度極小，僅為0.05%～0.1%，焊接過程中，由于溫度升高，鐵在鈦中的固溶度增加；而當(dāng)焊接結(jié)束后，溫度下降導(dǎo)致鐵在鈦中的固溶度下降，引起鐵在鈦中過飽和，從而在焊縫中形成一系列Fe-Ti金屬間化合物，而且鈦是強碳化物的形成元素，與鋼中的碳極易形成脆性TiC化合物；此外，Cu經(jīng)常作為填充材料應(yīng)用在鈦/鋼釬焊中，如圖1b所示，二者容易形成多種金屬間化合物，它們都將對接頭產(chǎn)生不利影響，降低接頭性能。

表1 鈦和鐵的熱物理性能參數(shù)[12]

圖1 Ti-Fe和Ti-Cu二元相圖[14]

由于鈦/鋼焊接存在上述難點，采用傳統(tǒng)的熔焊方法難以得到滿意的焊接接頭。目前，鈦/鋼焊接主要采用固相焊(真空擴散焊[15-16]、旋轉(zhuǎn)摩擦焊[17-19]、攪拌摩擦焊[20-21]、爆炸焊[22-24])及釬焊[25]。相比于固相焊接，釬焊的優(yōu)勢在于接頭形式的多樣性，適合多種焊接結(jié)構(gòu)；并且，可在較低的溫度下進行，對母材性能影響較小，釬焊過程中工件整體加熱，因此接頭的殘余應(yīng)力較小。釬焊方法的特點保證了其在異種金屬連接中的優(yōu)勢，尤其在消除接頭殘余應(yīng)力上優(yōu)勢明顯[26]，國內(nèi)外學(xué)者針對鈦/鋼釬焊進行了大量研究，并取得了一系列研究成果。

2 銀基釬料

銀基釬料對多種合金具有良好的潤濕性和優(yōu)異的冶金性能，是市場占有率較高的一種優(yōu)良釬料。采用銀基釬料釬焊鈦/鋼時，釬縫中金屬間化合物的生成能得到很好的抑制，從而增強釬焊接頭的力學(xué)性能[27]。此外，使用銀基釬料的鈦/鋼釬焊可以在較低的釬焊溫度下進行(720～950 ℃)，因此該釬料被廣泛應(yīng)用于鈦合金與鋼的釬焊當(dāng)中。銀基釬料多以Ag-Cu共晶組織為基體，并加入其它合金元素(Ti，Zn，Li，Ni，Al等)從而得到不同性能的釬料。部分銀基釬料釬焊鈦/鋼研究成果見表2。

Yue等人[28]采用Ag-26.7Cu-4.6Ti釬料釬焊TC4鈦合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼，接頭微觀組織如圖2a所示，由白色的銀基固溶體和灰色的Ti-Cu金屬間化合物組成。元琳琳等人[29]采用Ag-28Cu釬料釬焊純鈦和Q235低碳鋼，接頭微觀組織如圖2b所示，同樣分為白色的銀基固溶體和灰色的Ti-Cu金屬間化合物。其中Ti-Cu化合物的形成機理如反應(yīng)式(1)～(5)所示。

表2 銀基釬料釬焊鈦/鋼工藝參數(shù)與接頭力學(xué)性能

注：①接頭強度未標(biāo)明溫度均為室溫。

L+CuTi2→(Ag)+CuTi (908 ℃)

(1)

L+CuTi→(Ag)+Cu4Ti3(860 ℃)

(2)

L+Cu4Ti3→(Ag)+Cu3Ti2(843 ℃)

(3)

L+Cu3Ti2→(Ag)+Cu4Ti (808 ℃)

(4)

L+Cu4Ti→(Ag)+(Cu) (783 ℃)

(5)

圖2 銀基釬料釬焊鈦/鋼接頭組織[29-30]

Noda等人[30]采用銀基釬料63Ag-35.2Cu-1.8Ti(CUSIL-ABA)釬焊TiAl合金/AISI4340鋼，工藝參數(shù)為830 ℃保溫30 s。結(jié)果表明，釬縫中有兩種相生成，在鋼一側(cè)生成了Ag，Cu，F(xiàn)e三元共晶體；而在鈦一側(cè)生成了AlCu2Ti金屬間化合物。接頭室溫抗拉強度為320 MPa，500 ℃條件下抗拉強度為310 MPa，高溫強度保持良好。He 等人[31]采用同樣的釬料釬焊TiAl合金/35CrMo鋼，在870 ℃下保溫5 min得到的釬焊接頭室溫最大抗拉強度為320 MPa。在TiAl一側(cè)同樣產(chǎn)生了AlCu2Ti化合物，該化合物硬度較大，對缺陷比較敏感，厚度約占釬縫的1/3。接頭在400 ℃下的高溫抗拉強度為248 MPa，斷裂于Al-Cu-Ti金屬間化合物層。為了控制AlCu2Ti的生成量，進而提高接頭強度，Li等人[32]采用Ag-28Cu合金中間夾Ti箔為釬料釬焊TiAl合金/42CrMo鋼。釬焊接頭可分為三個區(qū)域：靠近TiAl一側(cè)的反應(yīng)層，由Ti3Al，AlCuTi和AlCu2Ti組成；釬縫中間區(qū)域主要為銀基固溶體，其中Ag-Cu共晶體與AlCu2Ti化合物呈塊狀與條帶狀彌散分布；靠近鋼側(cè)為TiC化合物層。在900 ℃和5 min釬焊條件下，接頭在室溫下的最大抗拉強度和抗剪強度分別為347 MPa和229 MPa。當(dāng)釬焊溫度和釬焊時間增加時，脆硬相TiC和Al-Cu-Ti會大量生成和長大，接頭強度被削弱；而當(dāng)釬焊溫度和釬焊時間減少時，接頭內(nèi)部會有殘余的Ti中間層，裂紋容易在此萌生并擴展。綜上所述，銀基釬料釬焊鈦/鋼時，釬焊接頭內(nèi)脆性化合物的生成得到抑制，力學(xué)性能較好；但其高溫性能較差，釬焊接頭耐腐蝕性能差，生產(chǎn)成本高，使得銀基釬料的應(yīng)用受到一定程度的限制。

3 鈦基釬料

采用鈦基釬料釬焊的接頭具有耐腐蝕性良好、服役溫度高、對母材潤濕性良好、生產(chǎn)成本相對低等優(yōu)點，接頭經(jīng)過充分?jǐn)U散處理后還可達到較高的塑性[44]。然而鈦基釬料熔點較高，在釬焊過程中鈦母材容易發(fā)生α→β相轉(zhuǎn)變，從而降低母材強度。向鈦基釬料中加入Zr，Ni，Cu，Co，Li等合金元素可以降低釬料熔點，進而提高接頭性能[45- 46]。部分鈦基釬料釬焊鈦/鋼的研究成果見表3。

Noda等人[30]采用Ti-15Cu-15Ni釬料釬焊TiAl合金和AISI4340鋼，發(fā)現(xiàn)鈦基釬料的高熔點及其本身固有的活性導(dǎo)致釬縫中在鋼側(cè)有Ti(Fe, Al)生成，而在鈦側(cè)生成了Ti3(Al, Fe)相。此外，在鋼與Ti(Fe, Al)層之間形成TiC脆性化合物，為接頭的薄弱部分。釬焊接頭在室溫和500 ℃下抗拉強度分別為210 MPa和255 MPa。陳波等人[47]采用Ti-15Cu-15Ni釬料釬焊TiAl合金和42CrMo鋼，在1 000 ℃下保溫5 min，釬縫中無TiC相生成，但Ti與Al，Cu，Ni等元素發(fā)生反應(yīng)，生成了Ti-Al，Ti-Cu，Ti-Ni金屬間化合物，鋼側(cè)生成了Ti-Fe脆性相。接頭的抗拉強度平均值為95.1 MPa，這可能是因為保溫溫度過高且時間過長，接頭中的Cu， Ni，F(xiàn)e，Al等元素與Ti形成脆性金屬間化合物，其中Ti-Fe化合物最為明顯，劣化了接頭性能。

表3 鈦基釬料釬焊鈦/鋼工藝參數(shù)與接頭力學(xué)性能

注：①其中[30]、[38]、[47]采用晶態(tài)釬料，其它為非晶態(tài)釬料；②接頭強度未標(biāo)明溫度均為室溫。

與上述晶態(tài)釬料相比，非晶釬料具有更低的熔點和更好的流動性，可以選用較低的釬焊溫度和保溫時間，熔化時原子擴散遷移率更高，可縮短釬焊熱循環(huán)時間，以減少焊縫內(nèi)脆性相的生成或抑制其長大[53]，從而優(yōu)化釬焊接頭的性能。因此，國內(nèi)外學(xué)者采用鈦基釬料釬焊鈦/鋼時，主要集中于非晶鈦基釬料。

吳威[36]采用Ti-33Zr-13.3Ni-16.2Cu釬焊TC4鈦合金與38MnVS6鋼，其接頭微觀組織如圖3a示。鋼母材中的鐵元素向釬縫中溶解擴散形成Ti-Fe金屬間化合物，碳元素聚集在釬縫與鋼母材界面處，形成連續(xù)的TiC反應(yīng)層。接頭最高抗剪強度在930 ℃保溫20 min條件下為104 MPa。Lee等人[48]采用Zr-13.8Ti-10.0Ni-12.5Cu-22.5Be非晶釬料真空感應(yīng)釬焊CP-Ti(Gr.2)和UNS S31254不銹鋼，Be元素具有非常顯著的降熔點效果，因此釬焊溫度最低可以降至750 ℃，保溫時間為10 min。接頭強度在800 ℃保溫條件下達到190 MPa，斷裂起源和擴展均位于[FeTi, NiTi]基體和NiTi2處。Ti-Cu二元體系具有較好的非晶形成能力，適用于非晶鈦基釬料的制備。Dong等人[49]采用Ti-22Ni-10Cu-8Zr非晶釬料釬焊TiAl合金與40Cr鋼，接頭微觀組織如圖3b所示，釬縫中形成了脆性Ti3Al及Ti2Ni脆性化合物，劣化接頭性能，其抗剪強度僅為32 MPa。綜上所述，采用鈦基釬料制備的鈦/鋼釬焊接頭高溫力學(xué)性能良好，但由于熔點較高，易對母材尤其是鈦母材產(chǎn)生影響。

圖3 鈦基釬料釬焊鈦/鋼接頭組織[36,49]

4 瞬時液相擴散焊

瞬時液相擴散焊(TLP)是一種利用母材和釬料之間發(fā)生共晶反應(yīng)，局部熔化為液相進而實現(xiàn)材料連接的特殊釬焊方法[54]。原理是焊接過程中溫度達到焊接溫度之后，中間層金屬含有的降熔元素向母材擴散，使中間層與母材發(fā)生共晶反應(yīng)達到連接效果。鈦/鋼瞬時液相擴散焊大多選擇純銅作為中間層，原因是Ti和Cu的共晶溫度約為870 ℃，溫度較低。采用瞬時液相擴散焊方法連接鈦/鋼部分研究成果見表4。

Ehsan等人[55,61]利用25 μm的Cu箔對Ti-6Al-4V與AISI304鋼進行焊接，接頭微觀組織如圖4所示，從鈦母材到鋼母材，接頭組織分別為Ti-Cu和Ti-Fe金屬間化合物。當(dāng)溫度達到960 ℃時，由于Cu元素向兩側(cè)母材擴散，在鈦母材側(cè)發(fā)生β-Ti穩(wěn)定化，在鋼母材側(cè)的組織為γ-Fe固溶體。隨著保溫時間的延長，接頭寬度先增加后降低，這是由于等溫凝固在長時間保溫中充分進行的結(jié)果。接頭抗剪強度在960 ℃/60 min條件下達到最高值374 MPa。而隨著溫度升高或時間延長，接頭斷裂形式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠑嗔?。Zakipour等人[56-57]探究Cu箔厚度對TC4/316L鋼接頭的影響。結(jié)果表明，Cu箔的厚度對接頭寬度有直接的影響，當(dāng)Cu箔厚度為150 μm時，接頭寬度超過了600 μm。Cu箔厚度為50 μm，1 100 ℃/60 min釬焊條件下釬焊接頭的抗剪強度達到最高，為284 MPa。綜上所述，采用TLP工藝釬焊鈦合金與鋼所得接頭力學(xué)性能優(yōu)良，但采用的中間層多為純銅，其單一性很難滿足多種材料的釬焊要求；釬焊接頭中存在大量的Cu基固溶體，抗腐蝕性能難以保證，因此該工藝的應(yīng)用范圍有限。

表4 瞬時液相擴散焊鈦/鋼工藝參數(shù)與接頭力學(xué)性能

注：①接頭強度未標(biāo)明溫度均為室溫。

圖4 采用25 μm厚的Cu箔瞬時液相擴散焊連接304不銹鋼/TC4合金[55,61]

5 復(fù)合中間層釬焊研究

為進一步改善釬料對母材的潤濕性，控制脆性金屬間化合物的生成，提高接頭強度，研究者在金屬母材上進行濺射涂覆或化學(xué)鍍層處理，而后添加釬料進行鈦/鋼釬焊。該金屬中間層可以有效阻止釬焊過程中活性元素的擴散，從而抑制金屬間化合物的生成和分布。

Shiue等人[62]在不銹鋼上化學(xué)鍍Ni金屬層，采用BAg-8釬料釬焊TC4/17-4PH不銹鋼，發(fā)現(xiàn)Ni層有效地阻止了Ti與Fe相互反應(yīng)，避免了Ti-Fe金屬間化合物的大量生成，鍍Ni層使釬焊接頭的最大抗剪強度從96 MPa提升至210 MPa，接頭斷裂于TiCu脆性反應(yīng)層。Lee等人[63-65]采用BAg-8釬料和濺射涂覆Ag中間層對CP-Ti(Gr.2)和UNS S31254不銹鋼真空感應(yīng)釬焊進行了系列研究，濺射涂覆Ag層前后的接頭界面微觀組織形貌，如圖5所示。結(jié)果表明，接頭形式為Ti(母材)/TiAg化合物/Ag固溶體/不銹鋼(母材)，釬縫中Ti元素的擴散被Ag層阻隔而形成韌性較好的TiAg金屬間化合物，接頭抗拉強度達410 MPa。動電位極化試驗與阻抗譜試驗表明[64]，有Ag中間層的接頭阻抗更高、自腐蝕電流更小，具有更優(yōu)良的耐腐蝕性。此外，作者發(fā)現(xiàn)接頭彈性變形行為體現(xiàn)為等應(yīng)力狀態(tài)，并用不同層之間的彈性相互作用力解釋了接頭強度高于Ag固溶體層強度的原因。Lee等人[66]還采用Ti-26Ni-16Zr非晶釬料和V/Cr/Ni中間層對比研究了Ti(Gr.2)和UNS S31254不銹鋼真空感應(yīng)釬焊。采用Ti-26Ni-16Zr非晶釬料時，焊縫中生成大量Ti基脆性金屬間化合物，如(Ti, Zr)2(Fe, Ni)，TiFe，Ti2(Fe, Ni)，導(dǎo)致接頭強度低于100 MPa；采用V/Cr/Ni中間層時，沒有檢測到金屬間化合物，接頭抗拉強度增加至480 MPa。綜上所述，采用復(fù)合中間層釬焊鈦合金與鋼，所得接頭中脆性化合物生成最少，力學(xué)性能最優(yōu)，但工藝也最復(fù)雜。

圖5 CP-Ti/UNS S31254釬焊接頭[63]

6 結(jié)論

(1)鈦合金/鋼釬焊主要采用銀基釬料、鈦基釬料及復(fù)合中間層，瞬時液相擴散焊工藝也應(yīng)用較多。在釬料與中間層中添加多種合金元素，可以降低釬焊溫度，提高對母材的潤濕性，抑制金屬間化合物形成，控制成本。

(2)采用銀基釬料與瞬時液相擴散焊工藝得到的鈦合金/鋼接頭組織主要為相應(yīng)的固溶體基體以及釬料與母材反應(yīng)生成的金屬間化合物；采用鈦基釬料得到的接頭組織主要為Ti-Fe，Ti-Cu等脆性金屬間化合物；采用復(fù)合中間層可以有效抑制元素擴散，從而抑制脆性化合物的形成。

(3)考慮到生產(chǎn)成本，銀基釬料將會朝低銀、代銀方向發(fā)展；降低釬料熔點，抑制釬縫中脆性化合物的形成將是鈦基釬料的研究重點；瞬時液相擴散焊由于其可用的中間層種類較為單一，應(yīng)用受限；對于采用復(fù)合中間層釬焊鈦/鋼，簡化涂覆工藝的實用價值將更大。