TC4鈦合金與無氧銅、可伐合金真空釬焊工藝研究

郝振貽， 嚴(yán) 彪

（1. 同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2. 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083）

TC4鈦合金與無氧銅、可伐合金等金屬間的焊接，屬于異種金屬焊接的范疇[1-3]。異種金屬的焊接，是指兩種或兩種以上的不同金屬在一定工藝條件下進(jìn)行焊接加工的過程。由于異種金屬焊接各金屬間物理化學(xué)性能及化學(xué)成分的差異，如在焊接過程中，TC4鈦合金中的Ti易和其他金屬元素產(chǎn)生脆性相，導(dǎo)致焊縫斷裂，給焊接造成較大的困難[4]。

雖然異種金屬焊接難度較高，但是，異種金屬焊接能夠最大限度地利用材料各自的優(yōu)點(diǎn)，做到物盡其用。因此隨著未來紅外探測(cè)器封裝要求的不斷提高，該焊接技術(shù)的應(yīng)用需求越來越多，比如深空冷背景探測(cè)的超低溫制冷的探測(cè)器封裝、超大規(guī)模的紅外探測(cè)器與制冷機(jī)集成式冷箱封裝和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的紅外探測(cè)器封裝等。

北京航空材料研究院程耀永等用Ti-Zr-Cu-Ni混合粉末釬料釬焊TC4鈦合金，焊縫接頭抗拉強(qiáng)度達(dá) 911 MPa，強(qiáng)度與母材相當(dāng)[4]。

通過研究，解決杜瓦封裝用TC4鈦合金與無氧銅、4J29可伐合金等異種金屬間的氣密性真空釬焊問題，期望能夠?qū)崿F(xiàn)紅外探測(cè)器封裝組件的TC4鈦合金冷指和冷平臺(tái)真空釬焊，并獲得合適的TC4鈦合金冷指和冷平臺(tái)真空釬焊的工藝參數(shù)。

1 釬焊料的調(diào)研

鈦合金真空釬焊用釬料中常用的主要有銀基釬料、鋁基釬料和鈦基釬料。銀基釬料和鋁基釬料雖有良好的潤(rùn)濕性和一定的力學(xué)性能，但焊縫與母材相比，其力學(xué)性能和化學(xué)性能差距較大[5]。鈦基釬料與鈦合金的冶金相容性好，可以獲得高強(qiáng)度的接頭，是釬焊鈦合金的優(yōu)質(zhì)釬料。

Ti-Zr-Cu-Ni 系列釬料是鈦及鈦合金釬焊的重要釬料。其顯著優(yōu)點(diǎn)是接頭可以在高溫和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)下使用，其力學(xué)性能和耐腐蝕性能接近母材水平[6]，對(duì)國(guó)內(nèi)不同廠家生產(chǎn)的釬料進(jìn)行調(diào)研，TC4鈦合金與TU2無氧銅/4J29可伐合金真空釬焊釬料的一些種類和廠商調(diào)研見表1。

表 1 TC4 鈦合金與異種金屬釬焊的焊料現(xiàn)狀Tab.1 Current status of the solder for brazing TC4 titanium alloy with dissimilar metals

2 釬焊料的選擇

對(duì)于鈦合金結(jié)構(gòu)，由于存在熱導(dǎo)率較小且線膨脹系數(shù)較大的特點(diǎn)，因此其內(nèi)部應(yīng)力更加復(fù)雜，若選擇焊接方法及工藝不當(dāng)時(shí)會(huì)降低焊縫的性能。鈦材與異種金屬的連接主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）當(dāng)鈦與其他金屬的熔點(diǎn)相差很大時(shí)，易形成熔化不良；（2）當(dāng)鈦與其他金屬線膨脹系數(shù)相差很大時(shí)，易導(dǎo)致焊縫區(qū)裂紋增多；（3）當(dāng)鈦與其他金屬之間形成較多的金屬間化合物時(shí)，由于金屬間化合物具有很大的脆性，容易使焊縫產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂等。

試驗(yàn)所用材料分別為TC4(Ti-6AI-4V)鈦合金、4J29可伐合金和TU2無氧銅，各母材的化學(xué)成分及熱學(xué)、力學(xué)性能如表2所示。

表 2 母材的主要成分、抗拉強(qiáng)度和平均熱導(dǎo)率Tab.2 Main components, tensile strengths and average thermal conductivities of base metals

為此選用三種不同釬料進(jìn)行初步試驗(yàn)：（1）昆山米愛CuNiSn 釬料；（2）上海大華廠AgCu 合金；（3）Lucas公司Ti-Ni-Zr-Cu釬料。釬料的具體照片見圖1，焊接溫度分別為 560，810 和 897 ℃，3 個(gè)壁厚為 2 mm的樣品釬焊后檢漏漏率均達(dá)到要求，但是CuNiSn釬料、AgCu合金焊接后在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，釬料與母材的浸潤(rùn)性不好，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)，CuNiSn釬料、AgCu合金的焊縫與母材相比，其力學(xué)性能和化學(xué)性能差距較大。因此最終只選用Ti-Ni-Zr-Cu釬料作為進(jìn)一步試驗(yàn)的釬料。

3 釬焊試驗(yàn)

在試驗(yàn)中考慮到實(shí)際紅外探測(cè)器封裝杜瓦的使用情況，TC4鈦合金與4J29可伐合金也進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并與TU2無氧銅一起做比較，溫度曲線沿用第一次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且TC4鈦合金試驗(yàn)冷指采用和工程上杜瓦一樣的薄壁件結(jié)構(gòu)（工程上為了降低冷平臺(tái)對(duì)外界的固體傳導(dǎo)漏熱，薄壁冷指壁厚設(shè)計(jì)值一般≤0.2 mm來控制截面積）。焊接后的樣品照片如圖2所示。

圖 1 釬焊試驗(yàn)所選用各釬料Fig.1 Selected solders for the brazing test

圖 2 薄壁 TC4 鈦合金冷指釬焊試驗(yàn)照片 (焊接溫度 897 ℃)Fig. 2 Experimental picture of thin-walled TC4 titanium after cold finger brazing (welding temperature of 897 °C)

由于焊接溫度較高，可能存在高溫金屬固溶，根據(jù)釬料的熔點(diǎn)范圍適當(dāng)降低焊接溫度，由原來的897 ℃降低到877 ℃，但效果并不理想。因?yàn)門i-Ni-Zr-Cu釬料中的Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%左右，據(jù)此推斷發(fā)生薄壁TC4鈦合金芯柱焊接后變形和塌陷的主要原因是Ti固溶在釬料內(nèi)。因此考慮改變TC4鈦合金芯柱，采用兩種改進(jìn)方法：（1）樣品局部設(shè)計(jì)壁厚 0.2 mm 調(diào)整到 0.5 mm；（2）樣品設(shè)計(jì) 0.2 mm壁厚上局部鍍鎳。

按方法（1）對(duì)樣品局部焊料浸潤(rùn)部位進(jìn)行局部加厚，改進(jìn)后按上述條件重新進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，釬焊后的試驗(yàn)樣品見圖3，為TC4鈦合金芯柱改進(jìn)后釬焊試驗(yàn)照片。

圖 3 薄壁 TC4 鈦合金改進(jìn)后冷指釬焊試驗(yàn)照片(焊接溫度 897 ℃)Fig. 3 Experimental picture of thin-walled TC4 titanium after improved cold finger brazing(welding temperature of 897 °C)

按方法（1）改進(jìn)樣品，釬焊后的效果較好，在顯微鏡下觀查焊縫較為飽滿，但還是會(huì)發(fā)生溶蝕反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，母材發(fā)生溶蝕會(huì)降低焊接接頭的力學(xué)性能。同時(shí)由文獻(xiàn)[7]可知，在焊接母材表面進(jìn)行鍍鎳處理，可以有效抑制母材料與焊料之間的接觸，防止溶蝕反應(yīng)。因此采用方法（2）在原有的0.2 mm壁厚上鍍鎳，樣品在釬焊后進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。

表3和表4的試驗(yàn)結(jié)果表明，樣品都斷裂在焊縫處，有一個(gè)樣品斷裂在鈦合金薄壁與后壁連接處。樣品抗拉強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

表 3 TC4鈦合金與TU2無氧銅樣品釬焊后拉伸測(cè)試結(jié)果Tab.3 Tensile test results after brazing TC4 titanium alloy with TU2 oxygen-free copper

表 4 TC4 鈦合金與 4J29 可伐合金樣品釬焊后拉伸測(cè)試結(jié)果Tab.4 Tensile test results after brazing TC4 titanium alloy with 4J29 kovar alloy

4 樣品分析

TC4鈦合金與TU2無氧銅釬焊樣品斷口宏觀形貌見圖4，斷口的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖見圖 5，從圖 5（a）中可見該斷口分為3個(gè)區(qū)域，從外表面到內(nèi)表面依次為自由結(jié)晶區(qū)、準(zhǔn)解理區(qū)和韌窩區(qū)。

圖 4 TC4 鈦合金與 TU2 無氧銅樣品斷口宏觀形貌Fig. 4 Macroscopic fracture morphology of TC4 titanium alloy and TU2 oxygen-free copper samples

圖 5 TC4 鈦合金與 TU2 無氧銅樣品斷口 SEM 圖Fig.5 SEM images of the fracture surface of TC4 titanium alloy and TU2 oxygen-free copper samples

截取TC4鈦合金與TU2無氧銅斷口樣品剖面樣品，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于SEM下觀察，并采用能譜儀（energy dispersive X-ray analysis，EDAX）對(duì)樣品剖面中的焊縫區(qū)域進(jìn)行化學(xué)元素分析，結(jié)果見圖6。

圖 6 TC4 鈦合金與 TU2 無氧銅樣品斷口EDAX 能譜分析結(jié)果Fig. 6 EDAX analysis results of the fracture surface of TC4 titanium alloy and TU2 oxygen-free copper samples

TC4鈦合金與TU2無氧銅斷口樣品經(jīng)化學(xué)試劑侵蝕后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果見圖7。從圖7的結(jié)果可知，并沒有γ相生成，同時(shí)焊縫組織細(xì)密，在釬焊焊縫處有Cu的固溶體析出，均以筍狀的方式生長(zhǎng)并較細(xì)小，但沒有發(fā)現(xiàn)明顯的金屬化合物。焊縫具有較高的抗拉強(qiáng)度，與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果一致。

5 試驗(yàn)結(jié)論

（1）TC4鈦合金與TU2無氧銅、4J29可伐合金釬焊后檢漏漏率優(yōu)于10-11torr.l/s。

（2）TC4鈦合金與TU2無氧銅、4J29可伐合金釬焊后抗拉力都達(dá)到150 MPa以上，但是由于焊料溢流，計(jì)算強(qiáng)度時(shí)的厚度不夠均勻，該值僅為近似值。

（3）Ti-Ni-Zr-Cu作為 TC4鈦合金與 TU2無氧銅、4J29可伐合金的釬料，具有較好的焊接潤(rùn)濕性和較高的焊接強(qiáng)度。但由于Ti-Ni-Zr-Cu釬料中的Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%左右，因此TC4鈦合金中Ti容易固溶在釬料內(nèi)。因此在薄壁試驗(yàn)件上鍍鎳，厚度10～20 μm，具有較好的阻隔Ti固溶和強(qiáng)化焊料與基材互溶的作用。

圖 7 TC4 鈦合金與 TU2 無氧銅斷口的顯微組織Fig. 7 Microstructures of fracture surface of TC4 titanium alloy and TU2 oxygen-free copper