TC4鈦合金真空釬焊工藝研究

宋一凡 徐楓 劉聰 韓晶北京中大華遠(yuǎn)認(rèn)證中心

一、引言

TC4鈦合金是α+β鈦合金的代表，也是目前最常用到的鈦合金種類。TC4鈦合金具有強(qiáng)度大、剛度高、耐蝕性好以及高 溫機(jī)械性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天和其它工業(yè)領(lǐng)域。TC4鈦合金的釬焊件主要用于宇航結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、動(dòng)力渦環(huán)組件、液壓導(dǎo)管和導(dǎo)管配件、飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)、疊層壁板、帶肋蒙皮等。在一些復(fù)雜、薄壁精密結(jié)構(gòu)的鈦合金零件的制造工藝中，釬焊連接也因具有獨(dú)特的優(yōu)勢而愈來愈受到重視，逐漸成為釬焊領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

本文選用Ti-Zr-Cu-Ni系釬料真空釬焊TC4鈦合金，研究真空釬焊工藝。

二、試驗(yàn)方法

（一）試驗(yàn)?zāi)覆暮外F料

TC4鈦合金化學(xué)成分見表1：

表1 TC4的化學(xué)成分

釬料為Ti-Zr-Cu-Ni系釬料，釬料為粉狀，其化學(xué)成分和物理特性見表2：

表2 Ti-Zr-Cu-Ni系釬料的化學(xué)成分和物理特性

（二）試驗(yàn)方法

(1) 采用厚度為3mm的TC4板材，在真空釬焊爐內(nèi)進(jìn)行試樣的釬焊，其具體尺寸見圖1；

圖1 試驗(yàn)件尺寸

(2) 施焊前，將TC4表面待焊處用60目砂紙研磨，去除表面雜質(zhì)和氧化物，并用酒精清洗干凈烘干備用；

(3) 向釬料粉末中加入酒精混合均勻成膏狀，涂在被焊材料表面之間；

(4) 為了解決真空釬焊拉剪試樣搭接面積和焊接間隙固定的問題，降低廢件率，設(shè)計(jì)一種專用定位工裝。該定位工裝實(shí)物圖如圖2所示；

(5) 釬焊設(shè)備采用WZQH-30型多功能真空釬焊爐，真空度高于6×10-3 Pa；

(6) 將試樣進(jìn)行編號(hào)，采用不同的釬焊溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行釬焊；

(7) 采用超聲波C掃描對(duì)試樣進(jìn)行焊縫內(nèi)部質(zhì)量的探傷檢驗(yàn)；采用金相顯微鏡對(duì)接頭界面進(jìn)行觀察分析；接頭剪切試驗(yàn)在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為0.5mm/min，每個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)測試2～3個(gè)樣品，取其平均值。

圖2 焊接定位工裝實(shí)物圖

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）釬焊溫度對(duì)于TC4鈦合金釬焊接頭的性能影響

定時(shí)試驗(yàn)：固定TC4鈦合金真空釬焊的保溫時(shí)間，變化釬焊溫度。將試樣依次編號(hào)1a～6a，其相應(yīng)的釬焊工藝參數(shù)見表3：

表3 TC4鈦合金真空釬焊工藝參數(shù)表

1.焊縫質(zhì)量

圖3是1a～6a號(hào)焊后試樣的超聲波C掃描圖，由圖3看出，試樣在低釬焊溫度下釬焊時(shí)，焊縫中出現(xiàn)數(shù)量多、面積大的穿透性缺陷；隨釬焊溫度的提高，穿透性缺陷的數(shù)量和面積逐漸下降；釬焊溫度高于940℃時(shí)，穿透性缺陷基本消失。

在相對(duì)較低的釬焊溫度下，熔態(tài)釬料流動(dòng)性差，不能將粉狀釬料的空隙填滿，造成多數(shù)量、大面積穿透性缺陷出現(xiàn)；隨釬焊溫度的提高，熔態(tài)釬料能夠較好的潤濕母材，流動(dòng)性增強(qiáng)，粉狀釬料的空隙逐漸填滿，穿透性缺陷隨之減少。

圖3 1a～6a（從左至右）號(hào)焊后試樣超聲波C掃描圖

2.組織結(jié)構(gòu)

圖4是1a～6a號(hào)試樣在300倍金相顯微鏡下的釬焊接頭典型組織形貌。由圖4可以看出，在900℃釬焊時(shí)，基體保留原有細(xì)小組織，釬縫接頭輪廓清晰，與母材界限明顯，接頭處有細(xì)小針狀結(jié)構(gòu)組織出現(xiàn)，并往焊縫內(nèi)生長；隨釬焊溫度的提高，基體中初生α相逐漸增加，釬縫寬度逐漸擴(kuò)展，釬縫與基體界面逐漸模糊，針狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)量逐漸增多、體積逐漸增大；當(dāng)釬焊溫度達(dá)到960℃以上時(shí)，針狀結(jié)構(gòu)組織幾乎布滿整個(gè)焊縫，釬縫和基體融合在一起。

圖4 1a～6a（從左至右）號(hào)焊后試樣組織形貌

3.力學(xué)性能分析

對(duì)1a～6a號(hào)焊后試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，其拉剪力學(xué)平均值列于表4：

表4 1a～6a號(hào)焊后試樣拉剪力學(xué)平均值

圖5為在30min保溫時(shí)間，不同釬焊溫度條件下，接頭室溫抗剪強(qiáng)度的變化圖。

圖5 焊后試樣接頭室溫抗剪強(qiáng)度變化圖

由表4和圖5可以看出，當(dāng)釬焊溫度為900℃時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度較低；提高釬焊溫度至920℃，接頭抗剪強(qiáng)度提高幅度較大；繼續(xù)提高釬焊溫度，接頭抗剪強(qiáng)度呈較穩(wěn)定狀態(tài)。

在900℃釬焊時(shí)，熔態(tài)釬料流動(dòng)性較差，釬縫和母材未能很好融合，存在較多的穿透性缺陷，造成接頭抗剪強(qiáng)度較低；隨釬焊溫度逐漸提高，熔態(tài)釬料的流動(dòng)性增強(qiáng)，釬縫和母材能較好地融合在一起，接頭抗剪強(qiáng)度顯著提高；由于釬焊溫度均在1000℃以下，基體晶粒無明顯粗化現(xiàn)象、接頭中無明顯的細(xì)小魏氏組織，接頭抗剪強(qiáng)度能夠維持在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.試驗(yàn)結(jié)果

在定時(shí)試驗(yàn)中，確定960℃為最佳釬焊溫度。在960℃釬焊溫度下的試樣：釬料完全融化，熔化態(tài)釬料流動(dòng)性良好，母材被完全潤濕；焊縫無貫穿性缺陷出現(xiàn)；釬縫和基體基本融合在一起，基體晶粒無明顯粗化現(xiàn)象，接頭中無明顯的細(xì)小魏氏組織出現(xiàn)；接頭抗剪強(qiáng)度為384.42MPa，維持在較好的力學(xué)性能水平。

（二）保溫時(shí)間對(duì)于TC4鈦合金釬焊接頭的性能影響

定溫試驗(yàn)：根據(jù)定時(shí)試驗(yàn)，固定TC4鈦合金960℃的真空釬焊溫度，變化保溫時(shí)間。將試樣依次編號(hào)1b～3b，其相應(yīng)的釬焊工藝參數(shù)見表5：

表5 TC4鈦合金真空釬焊工藝參數(shù)表

1.焊縫質(zhì)量

圖6 1b～3b（從左至右）號(hào)焊后試樣超聲波C掃描圖

圖6是1b～3b號(hào)焊后試樣的超聲波C掃描圖。由圖6看出，試樣在960℃釬焊溫度進(jìn)行釬焊時(shí)，相較于其它試樣，1b號(hào)試樣穿透性缺陷面積較大，這與保溫時(shí)間過短有關(guān)，熔態(tài)釬料無法在較短時(shí)間內(nèi)將空隙填滿便進(jìn)入到降溫階段，其它試樣均表現(xiàn)出較好的焊接質(zhì)量。

2.組織結(jié)構(gòu)

圖7為1b-3b號(hào)試樣在300倍金相顯微鏡下的釬焊接頭典型組織形貌。由圖7可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間為5min時(shí)，基體保留原有細(xì)小組織，釬縫接頭與母材界限明顯，接頭處開始有細(xì)小針狀結(jié)構(gòu)組織出現(xiàn)，但數(shù)量很少；當(dāng)保溫時(shí)間為10min時(shí)，基體中出現(xiàn)初生α相，釬縫與基體界面開始模糊，出現(xiàn)融合跡象，針狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)量增多、體積增大，并向焊縫內(nèi)生長；當(dāng)保溫時(shí)間為30min時(shí)，基體中初生α相繼續(xù)增多，針狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)量和體積繼續(xù)增長，幾乎布滿整個(gè)焊縫。

圖7 1b～3b（從左至右）號(hào)焊后試樣組織形貌

3.力學(xué)性能分析

對(duì)1b～3b號(hào)焊后試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，其拉剪力學(xué)平均值列于表6：

表6 1b～3b號(hào)焊后試樣拉剪力學(xué)平均值

圖8為在960℃的釬焊溫度，不同保溫時(shí)間條件下，接頭室溫抗剪強(qiáng)度變化圖。

圖8 焊后試樣接頭室溫抗剪強(qiáng)度變化圖

由表6和圖8可以看出，在相同釬焊溫度條件下，隨保溫時(shí)間的提高，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)先升高再降低的變化規(guī)律。且在保溫時(shí)間為10min時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

在過短的保溫時(shí)間內(nèi)，熔態(tài)釬料不能很好的潤濕母材，無法充分與母材發(fā)生融合，之后便很快進(jìn)入到降溫階段；而在過長時(shí)間的保溫時(shí)間內(nèi)，母材和焊縫內(nèi)組織容易產(chǎn)生粗大相，導(dǎo)致母材和接頭變脆；10min的保溫時(shí)間，即能使釬料與母材發(fā)生很好的融合，又不至于使母材和接頭過度粗化。

3.試驗(yàn)結(jié)果

在定溫試驗(yàn)中，確定10min為最佳保溫時(shí)間。在10min保溫時(shí)間釬焊的試樣：釬料完全融化、流動(dòng)性良好；焊縫無貫穿性缺陷；釬縫和基體融合；接頭抗剪強(qiáng)度為399.6MPa，達(dá)到最大值。

（三）研究小結(jié)

通過定時(shí)和定溫試驗(yàn)，確定在真空釬焊TC4鈦合金時(shí)，釬焊溫度960℃和保溫時(shí)間10min是其最佳配合工藝參數(shù)。執(zhí)行此工藝參數(shù)，TC4鈦合金真空釬焊焊接質(zhì)量良好、母材和焊縫組織融合、抗剪強(qiáng)度最大。

四、結(jié)論

(1) 在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，采用Ti-13Zr-21Cu-9Ni釬料可實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金的連接。 (2) 復(fù)合釬焊工藝參數(shù)影響接頭的力學(xué)性能，當(dāng)釬焊溫度為960℃、保溫時(shí)間為10min時(shí)，接頭室溫抗剪強(qiáng)度最高為399.6 Mpa。