填加V/Cu復(fù)合中間層的TiAl基合金與鋼激光焊接頭組織和性能研究

李洪梅， 白 雪, 韓 琦， 何禹志, 仲昭輝

(1.吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130025;2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130025)

0 引 言

高溫結(jié)構(gòu)材料的研究、發(fā)展和應(yīng)用是與航空、航天工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)的[1]。TiAl基合金是基于航空、航天飛行器及其高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)為主要需求背景開(kāi)發(fā)的一類輕質(zhì)高溫材料。其密度為3.7～3.9 g/cm3，不到Ni基高溫合金密度的一半，并且具有高熔點(diǎn)、高彈性模量、好的高溫強(qiáng)度以及良好的高溫抗蠕變性能和抗氧化性能等特點(diǎn)，是一種具有應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料[2-3]。目前，航空航天產(chǎn)品以及高級(jí)轎車普遍采用渦輪增壓的方法來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。增壓渦輪大多數(shù)采用鎳基高溫合金制成，鎳基合金的比重大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中容易產(chǎn)生啟動(dòng)、停止響應(yīng)性差的問(wèn)題。采用TiAl基合金代替鎳基合金制成增壓渦輪,將極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油熱效率，進(jìn)而達(dá)到降低排放和噪聲污染的目的。隨之而來(lái)的TiAl基合金與鋼軸的連接成為亟待解決的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)TiAl基合金與鋼異質(zhì)材料連接進(jìn)行了相關(guān)研究，主要涉及的焊接方法有擴(kuò)散焊、摩擦焊和釬焊等固態(tài)連接方法。擴(kuò)散焊[4-9]主要包括直接接觸擴(kuò)散連接以及加入中間層的擴(kuò)散連接?？偨Y(jié)這些研究，可得出一些共性的認(rèn)識(shí)：

1)直接接觸的擴(kuò)散連接頭界面脆性相較多，焊接性較差，接頭強(qiáng)度較低；

2)加入中間層在一定程度上改善了接頭脆性相的種類和分布，可以獲得性能較好的連接接頭，但接頭強(qiáng)度的分散性較大；

3)擴(kuò)散焊連接時(shí)間長(zhǎng)，增加了成本。

摩擦焊[10-11]方面，其研究思路與擴(kuò)散焊類似，同樣包括直接摩擦焊和加入中間層/第三體的摩擦焊。研究結(jié)果表明，摩擦焊可以實(shí)現(xiàn)TiAl基合金與鋼的連接，但存在一定的局限性：

1)接頭形式受到限制，無(wú)法對(duì)形狀復(fù)雜或者小尺寸試樣進(jìn)行焊接；

2)加入中間層/第三體可在一定程度上提高接頭的強(qiáng)度，單接頭上存在多個(gè)界面，接頭質(zhì)量難以控制；

3)摩擦焊產(chǎn)生的飛邊對(duì)后續(xù)處理增加了工作量；

4)TiAl合金側(cè)熱影響區(qū)存在大量的微裂紋，如何減少或者消除TiAl合金側(cè)微裂紋，提高接頭的性能仍是TiAl合金摩擦焊中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

釬焊[12-16]方面，研究結(jié)果顯示，真空擴(kuò)散釬焊連接TiAl基合金與鋼是可行的，但工件尺寸和形狀常常受到真空室的限制，同時(shí)釬料元素及成分配比有待于進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)。

熔化焊是應(yīng)用最為廣泛的焊接方法之一。傳統(tǒng)的熔化焊接TiAl基合金與鋼易產(chǎn)生大量脆性金屬間化合物，在焊接應(yīng)力的作用下極易發(fā)生開(kāi)裂，不能形成有效的異質(zhì)接頭。激光焊因其具有高能量密度、低熱輸入、光束方向性、焊接變形小、熔化金屬量少、焊縫窄且熱影響區(qū)小等特點(diǎn)，可精準(zhǔn)調(diào)控TiAl基合金與鋼異質(zhì)金屬焊縫的形成過(guò)程、焊縫組織，提高連接質(zhì)量，被認(rèn)為是連接異質(zhì)材料最有效的熔化焊方法[17-19]。

文中采用激光焊連接TiAl基合金與鋼異質(zhì)材料，通過(guò)填加V/Cu復(fù)合中間層的方法，研究改善異質(zhì)接頭焊接性的調(diào)控措施及調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)TiAl基合金與鋼異質(zhì)材料激光焊接,項(xiàng)目成果可應(yīng)用于航空航天、能源、化工等領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用TiAl基合金和40Cr鋼作為母材開(kāi)展TiAl基合金/40Cr鋼異質(zhì)材料激光焊的研究。TiAl基合金的名義成分為T(mén)i-48Al-2Cr-2Nb(原子百分比at.%)；40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分 wt.%

為了改善焊接性，選用純度大于99.95wt.%(重量百分比wt.%)的純V、Cu薄片作為中間過(guò)渡層，其中V層厚度為0.2 mm，與TiAl合金相鄰；Cu層厚度為0.4 mm，與鋼相鄰，研究填加V/Cu復(fù)合中間層的TiAl基合金/鋼激光焊接頭微觀組織與力學(xué)性能特點(diǎn)。

1.2 復(fù)合中間層的設(shè)計(jì)

選擇V/Cu復(fù)合中間層的依據(jù)：

1)根據(jù)V與Ti、Al二元合金相圖[20]可知，V與Ti不形成中間相，而Al在V中具有較大的溶解度，有利于改善激光焊的結(jié)合性能；

2)由Cu-Fe、Cu-V的二元相圖[20]可知，Cu與Fe、V不形成金屬間化合物；

3)由Cu-Ti、Cu-Al二元相圖[20]可知，Cu與Ti、Al可形成多種金屬間化合物，但文獻(xiàn)[20-22]報(bào)道Cu-Ti、Cu-Al金屬間化合物的脆性較小，對(duì)接頭的危害遠(yuǎn)低于Fe-Ti、Fe-Al系金屬間化合物；

4)V與TiAl合金、Cu與鋼的線膨脹系數(shù)差異較小，有利于緩解異種材料焊接接頭的殘余應(yīng)力。

綜上所述，選擇V/Cu復(fù)合中間層作為T(mén)iAl/鋼激光焊填充材料是合理的。

1.3 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)研究TiAl基合金與40Cr鋼異質(zhì)材料激光焊接頭的宏/微觀組織與力學(xué)性能。兩種母材試樣尺寸均為40 mm×20 mm×1 mm。焊前去除母材金屬的表面及待焊端面的氧化皮后，將試樣放入超聲清洗機(jī)超聲清洗5 min,去除試樣表面的磨屑及油脂，取出吹干，保存在密封袋中，2 h內(nèi)實(shí)施焊接。

試驗(yàn)采用HKW-1050B型激光焊接系統(tǒng)實(shí)施激光焊。將待焊的TiAl基合金與40Cr鋼母材試樣裝夾在自制的夾具上，焊接過(guò)程中通入保護(hù)氣體,對(duì)試樣的正面和背面均進(jìn)行保護(hù)，防止空氣中N、H、O的侵入。研究填加V/Cu復(fù)合中間層的TiAl合金/鋼異質(zhì)材料激光焊接頭組織與性能特點(diǎn)，探討提高異質(zhì)激光焊接頭性能的途徑和方法。激光焊接示意圖如圖1所示。

(a) 不填加中間層材料

(b) 填加V/Cu復(fù)合中間層材料

激光焊參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 激光焊參數(shù)

采用ZEISS Scope A1型光學(xué)顯微鏡(OM)、S-3400N型掃描電鏡(SEM)研究接頭的宏/微觀組織及拉伸斷口形貌；用EDΛX能譜儀(EDS)對(duì)接頭成分進(jìn)行分析。采用HX2000型顯微硬度計(jì)對(duì)接頭硬度進(jìn)行測(cè)試，其加載力為200 g，加載時(shí)間為10 s。接頭硬度測(cè)試包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材。采用型號(hào)為MTS810拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭與母材的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為0.2 mm/min。母材和不同參數(shù)下接頭的抗拉強(qiáng)度及應(yīng)變通過(guò)3～4個(gè)試樣測(cè)試值的平均值確定。

2 結(jié)果與討論

為了研究TiAl合金/鋼異質(zhì)材料激光焊接性特點(diǎn)，首先研究二者在不填加中間層材料的條件下激光焊接頭的組織與性能特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)探索改善TiAl基合金/鋼異質(zhì)材料激光焊接頭性能的途徑。

TiAl/鋼激光焊接頭正面照片及斷口形貌如圖2所示。

(a) 焊后接頭試樣正面

(b) 斷口形貌

研究表明，當(dāng)TiAl基合金/鋼在不填加中間層材料直接進(jìn)行激光焊接時(shí)，未能形成有效的焊接接頭，在焊接過(guò)程中即發(fā)生斷裂，見(jiàn)圖2(a)，表明TiAl基合金/鋼異質(zhì)材料直接激光焊接性很差。斷裂位置多位于TiAl基合金/鋼激光焊縫中心，斷口呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征，斷裂表面存在裂紋缺陷。這主要?dú)w因于TiAl基合金與40Cr鋼存在巨大的物理、化學(xué)性能差異，熔焊過(guò)程中極易形成Ti-Fe、Al-Fe、Ti-Al-Fe等脆性金屬間化合物，在焊接應(yīng)力的作用下極易發(fā)生開(kāi)裂。

填加V/Cu復(fù)合中間層的TiAl/鋼異質(zhì)金屬激光焊接頭外觀成形形貌如圖3所示。

(a) 正面

(b) 背面

由圖3可見(jiàn)，焊接試樣正面與背面焊縫成形均良好,背部完全熔透，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋缺陷，表明填加V/Cu復(fù)合中間層時(shí)可以實(shí)現(xiàn)TiAl基合金與鋼異質(zhì)金屬的連接，且選擇的焊接參數(shù)是合適的。

接頭微觀組織分析如圖4所示。

(a) 接頭低倍像

(b) 焊縫區(qū)BSE像

(c) 鋼側(cè)界面區(qū)

(d) TiAl基合金側(cè)界面區(qū)

圖4(a)為接頭橫截面低倍光學(xué)低倍像。獲得的焊縫較為細(xì)窄，焊縫區(qū)組織是不均勻的，存在富Cu區(qū)。 進(jìn)一步對(duì)焊縫進(jìn)行背散射(BSE)分析，見(jiàn)圖4(b)。焊縫區(qū)主要由灰色的等軸樹(shù)枝晶和白色的晶間相組成。

分別對(duì)灰色相1和白色相2進(jìn)行EDS成分分析，見(jiàn)表3。

表3 TiAl基合金與焊縫區(qū)界面成分分析

結(jié)果表明，灰色區(qū)主要含有較多的Fe、V、Cu和少量的Al、Ti；白色區(qū)主要含有Cu和少量的Al、Ti、V、Fe。分析認(rèn)為，灰色區(qū)主要為(Fe,V,Cu)固溶體相，白色區(qū)主要為Cu基固溶體相和富-Cu金屬間化合物相[6-7，14]。焊縫區(qū)生成固溶體相及富-Cu金屬間化合物相,有利于降低焊縫區(qū)的脆硬性，提高接頭的力學(xué)性能。

圖4(c)為焊縫區(qū)與鋼母材界面區(qū)微觀組織形貌。由圖可見(jiàn)，鋼母材與焊縫區(qū)的界面并未形成明顯的金屬間化合物層。結(jié)合該界面區(qū)的EDS分析結(jié)果可以看出(見(jiàn)表3)，鋼側(cè)界面區(qū)主要由固溶體相組成，表明加入Cu元素有利于焊縫區(qū)與鋼的過(guò)渡。

圖4(d)為T(mén)iAl基合金母材與焊縫區(qū)界面區(qū)微觀組織形貌。由圖可見(jiàn)，TiAl基合金與焊縫區(qū)形成了一定厚度的金屬間化合物層。該界面區(qū)EDS成分分析(見(jiàn)表3)表明，緊鄰TiAl基合金側(cè)形成了白色AlCuTi金屬間化合物層[14]，逐漸向焊縫區(qū)移動(dòng)，可觀察到柱狀樹(shù)枝晶及晶間組織，根據(jù)EDS成分分析結(jié)果推測(cè),該區(qū)主要為AlCu2Ti相。文獻(xiàn)[24]研究表明，AlCuTi、AlCu2Ti相具有較高的硬度，特別是AlCuTi硬度更高，這表明該界面區(qū)具有較高的脆性，可能會(huì)成為整個(gè)接頭的薄弱地帶，后面的力學(xué)性能測(cè)試也證明了這一點(diǎn)。

接頭硬度分布如圖5所示。

圖5 接頭硬度分布

由圖5可見(jiàn)，焊縫區(qū)的硬度是不均勻的。焊縫區(qū)和鋼側(cè)熱影響區(qū)具有較高的硬度，鋼側(cè)熱影響區(qū)的硬度高于焊縫區(qū)。這主要是由于試驗(yàn)選用了中碳鋼，在焊接后熱影響區(qū)易形成脆硬的馬氏體組織，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度值較高。接頭拉伸曲線、斷裂位置及斷口形貌如圖6所示。

圖6(a)為接頭的拉伸測(cè)試曲線，接頭抗拉強(qiáng)度為297 MPa，達(dá)到TiAl合金母材強(qiáng)度的75%以上；接頭應(yīng)變量為4.7%，遠(yuǎn)高于TiAl基合金母材的室溫應(yīng)變量1.1%，表明加入V/Cu復(fù)合中間層對(duì)于可提高接頭的塑性和延展性。接頭斷裂于TiAl合金側(cè)界面區(qū)，主要是由于TiAl合金側(cè)界面區(qū)形成的AlCuTi和AlCu2Ti金屬間化合物層，導(dǎo)致裂紋敏感性增加，易產(chǎn)生裂紋缺陷，從而使該界面區(qū)成為整個(gè)接頭的薄弱環(huán)節(jié)。圖6(c)為接頭斷口形貌，由圖可見(jiàn)，與不填加中間層的斷裂斷口相比，接頭脆性得到改善，斷口呈準(zhǔn)解理斷裂特征。進(jìn)一步證明采用V/Cu復(fù)合中間層作為填充材料激光焊接TiAl/鋼異質(zhì)金屬是可行的。

(a) 拉伸曲線

(b) 斷裂位置

(c) 斷口形貌

3 結(jié) 語(yǔ)

1)TiAl合金/鋼直接激光焊接，無(wú)法形成有效的焊接接頭，焊接過(guò)程中發(fā)生斷裂。接頭斷口呈明顯的脆性斷裂特征，斷口表面存在大量的裂紋。

2)填加V/Cu復(fù)合中間層可實(shí)現(xiàn)TiAl合金/鋼的連接。焊縫區(qū)主要由(Fe,V,Cu)固溶體相、Cu基固溶體相和富-Cu金屬間化合物相組成。焊縫區(qū)與鋼側(cè)熱影響區(qū)具有較高的硬度。接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)297 MPa，達(dá)到TiAl合金母材強(qiáng)度的75%以上，接頭斷裂于TiAl合金側(cè)界面區(qū)，主要與TiAl合金側(cè)界面區(qū)形成的AlCuTi和AlCu2Ti金屬間化合物層有關(guān)。