Ti-61Ni真空釬焊TZM合金接頭界面組織與力學(xué)性能

田驍，付偉，張旭東，馬瑞，宋曉國(guó)

先進(jìn)焊接與連接

Ti-61Ni真空釬焊TZM合金接頭界面組織與力學(xué)性能

田驍1，付偉2,3，張旭東2,3，馬瑞1，宋曉國(guó)2,3

（1. 北京動(dòng)力機(jī)械研究院，北京 100074；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海 264209）

研究不同釬焊溫度下獲得TZM/Ti-61Ni/TZM接頭的微觀組織演化及力學(xué)性能的變化，為獲得可靠釬焊接頭提供指導(dǎo)。采用電弧熔煉方法制備Ti-61Ni，將以TZM/Ti-61Ni/TZM“三明治”結(jié)構(gòu)裝配的試樣放入真空爐中進(jìn)行不同溫度（1200～1280 ℃）下的釬焊連接，利用SEM和EDS等手段分析釬料與母材之間的相互作用，測(cè)試接頭的力學(xué)性能并分析接頭斷裂行為，研究溫度對(duì)接頭界面組織演化和力學(xué)性能的影響。釬縫主要為TiNi相和TiNi3相，釬料中Ti元素向母材擴(kuò)散形成Mo(s,s)擴(kuò)散層；釬焊溫度升高，釬縫寬度減小，TiNi相減少，釬料對(duì)TZM母材的溶蝕加??；接頭的抗剪強(qiáng)度先升高后下降，接頭在TZM母材處斷裂。采用Ti-61Ni高溫釬料實(shí)現(xiàn)了TZM合金的可靠連接，接頭典型界面組織為TZM/擴(kuò)散層(Mo(s,s))/TiNi+TiNi3/擴(kuò)散層(Mo(s,s))/TZM；當(dāng)釬焊溫度為1240 ℃時(shí)，接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，為121 MPa。

TZM合金；真空釬焊；界面組織；力學(xué)性能

TZM合金是最有前途的鉬合金之一，其成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.4%～0.5%的Ti，0.06%～0.12%的Zr，0.01%～0.04%的C，余量為Mo，被廣泛應(yīng)用于各種高溫環(huán)境[1—3]，如軍事工業(yè)中被用作魚雷中的配氣閥體、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴；在彩色顯像管玻殼生產(chǎn)線上，用作玻璃熔爐鉑銠包覆攪拌器的主軸；電子電氣工業(yè)的高壓整流元件、電子管陰極以及核能源設(shè)備（如輻射罩、支撐架、熱交換器、軌條等）[4—5]。

焊接技術(shù)在TZM合金的推廣過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)TZM鉬合金自身或與其他材料的可靠連接是進(jìn)一步擴(kuò)寬其應(yīng)用的必備條件。目前已經(jīng)有研究表明，弧焊、電子束焊接、激光焊接、攪拌摩擦焊以及釬焊等焊接技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于TZM合金的連接，并且獲得性能良好的接頭[6—8]。采用弧焊連接TZM合金，容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋；高能電子束焊接特別適用于微、小型零件的精密連接；攪拌摩擦焊不適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的連接。釬焊具有精度高、焊接溫度低、對(duì)母材組織影響不大、熱應(yīng)力小，對(duì)焊件形狀適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，適用于連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的TZM合金器件[9—10]。Chan等[11]采用72Ag-28Cu（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）釬料真空釬焊Ti-6Al-4V和TZM合金，發(fā)現(xiàn)在溫度為800 ℃，保溫時(shí)間為60 s時(shí)，界面反應(yīng)層（TiCu+Ti3Cu4）厚度為10 μm；當(dāng)釬焊溫度超過(guò)850 ℃時(shí)，Ti3Cu4層消失，界面主要由TiCu組成。徐元慶等[12—13]采用Ti合金釬料真空釬焊石墨和TZM合金，當(dāng)Ti合金釬料的厚度為0.10 mm，釬焊溫度為1700 ℃，釬焊時(shí)間為20 min時(shí)，在界面處獲得30 μm的TiC層和70 μm的Ti-Mo固溶層，接頭的抗剪強(qiáng)度為15.0 MPa。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于同種TZM合金釬焊的研究鮮有報(bào)道，為充分發(fā)揮TZM合金的高溫性能，文中采用高溫釬料Ti-61Ni對(duì)TZM合金進(jìn)行真空釬焊，分析釬焊溫度對(duì)接頭界面微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為后續(xù)TZM合金的連接提供可靠的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用母材采用真空電弧熔煉方法制備，并經(jīng)過(guò)熱軋工藝處理的TZM合金板材，其厚度為3 mm，名義成分為Mo-0.5Ti-0.08Zr-0.0114C（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。Ti-61Ni共晶釬料是由純度不低于99.5%的Ti箔和Ni箔，按照39︰61的質(zhì)量比，通過(guò)真空電弧熔煉制得。為保證熔煉的釬料混合均勻，待其凝固后進(jìn)行重熔，熔煉過(guò)程重復(fù)至少10次，并將釬料錠放入850 ℃真空爐中退火10 h，保證釬料的成分均勻減少偏析。圖1a為制備的Ti-61Ni釬料的微觀組織，可以發(fā)現(xiàn)Ti-61Ni釬料由兩種物相組成：灰白色相（A）和灰黑色基體相（B）。對(duì)2種物相進(jìn)行了能譜分析，A的成分為Ti︰Zr=26.84︰73.13，接近1︰3，B的成分為Ti︰Zr=46.02︰53.98，接近1︰1，均為原子數(shù)分?jǐn)?shù)，結(jié)合Ti-Ni二元相圖可判定，2種物相分別為TiNi3相（A）和TiNi相（B）。同時(shí)對(duì)合金進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果如圖1b所示，存在TiNi3相和TiNi相的衍射峰，經(jīng)一步證明了釬料成分為TiNi3和TiNi。

圖1 Ti-61Ni釬料微觀組織分析結(jié)果

將TZM合金用線切割加工成4 mm×4 mm×3 mm和10 mm×20 mm×3 mm兩種尺寸，依次用500，800，1200目的SiC砂紙打磨拋光；用線切割將Ti-61Ni釬料加工成0.5～0.6 mm箔片，然后在砂紙上將其磨至100 μm。將待焊試樣和釬料箔片放入丙酮中超聲清理15 min去除表面的雜質(zhì)，取出風(fēng)干后，以TZM/Ti-61Ni/TZM“三明治”結(jié)構(gòu)裝配試樣，并在試樣上方施加2 kPa的壓力，防止釬焊過(guò)程中液態(tài)釬料造成TZM合金移動(dòng)。隨后將其放入真空釬焊爐里進(jìn)行釬焊，釬焊溫度分別為1200，1220，1240，1260，1280 ℃，保溫時(shí)間均為10 min，釬焊過(guò)程中，爐內(nèi)真空度優(yōu)于5×10?3Pa。

采用Instron Model 1186型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)釬焊接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，壓頭加載速率為0.5 mm/min。在每個(gè)工藝參數(shù)下至少選取5個(gè)試樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，并計(jì)算平均值。沿接頭截面切開(kāi)并打磨、拋光制備金相試樣，采用掃描電子顯微鏡（SEM，Quanta-200FEG）及能譜儀（EDS，Hitachi TN-4700）對(duì)釬焊接頭界面的微觀組織以及剪切斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型界面組織分析

圖2為釬焊溫度為1240 ℃時(shí)獲得的TZM合金釬焊接頭典型界面組織。可以看出，釬縫與母材界面處較為平滑，沒(méi)有觀察到孔洞和微裂紋等缺陷。根據(jù)圖2所示釬縫中不同襯度可判定，釬縫主要是由2種物相組成：灰白色相和黑色相，同時(shí)在釬縫與TZM基體界面處有擴(kuò)散區(qū)出現(xiàn)，寬度2 μm左右。表1為圖2中各點(diǎn)EDS成分分析結(jié)果。根據(jù)能譜分析，A所在黑色相的Ti和Ni的原子比約為1︰1，B所在灰白色相的Ti和Ni的原子比約為1︰3，結(jié)合Ti-Ni二元相圖[14]，可判定A和B分別為TiNi相和TiNi3相。擴(kuò)散區(qū)C的原子成分（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）為13.14%的Ti，82.09%的Mo及4.77%的Ni，這主要是在釬焊過(guò)程中液態(tài)釬料中Ti元素向母材中擴(kuò)散形成的，根據(jù)Ti-Ni-Mo三元相圖[15]可判定，該區(qū)域?yàn)镸o基固溶體。

表1 圖2中各點(diǎn)EDS成分分析結(jié)果（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）

Tab.1 EDS analyses of each spot marked in Fig.2 (atom fraction) %

圖2 TZM/Ti-61Ni/TZM接頭界面微觀組織(1240 ℃)

基于上述對(duì)TZM/Ti-61Ni/TZM接頭界面結(jié)構(gòu)的分析，釬縫各物相的形成過(guò)程描述如下：當(dāng)真空釬焊爐內(nèi)溫度達(dá)到Ti-61Ni釬料熔點(diǎn)時(shí)，釬料開(kāi)始熔化。隨著溫度升高，液態(tài)釬料潤(rùn)濕TZM表面，釬料中的Ti元素在化學(xué)勢(shì)差驅(qū)動(dòng)力的作用下在Mo表面富集，并逐漸向基體內(nèi)擴(kuò)散形成Mo-Ti固溶體。研究表明，Ni與Ti之間有很強(qiáng)的親和力，Ni原子相對(duì)Mo原子更容易與Ti反應(yīng)，所以Ti向TZM母材中的擴(kuò)散量比較小，基本維持在13%～15%（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）[16—17]。結(jié)合Ti-Ni-Mo三元相圖可知，Ni原子與Mo在此溫度區(qū)間基本無(wú)反應(yīng)且很難形成化合物及固溶體，且Ni在Mo-Ti固溶體中的溶解度不大，所以擴(kuò)散區(qū)僅含有少量的Ni。在降溫過(guò)程中，釬縫與母材界面處形成Mo-Ti固溶體層。在釬縫中，Ni與Ti元素間更容易以金屬間化合物的形式存在。

2.2 釬焊溫度對(duì)接頭界面微觀組織的影響

圖3為不同釬焊溫度下獲得TZM/Ti-61Ni/TZM接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)。可以看出，隨著釬焊溫度升高，釬縫中的物相沒(méi)有變化，均由TiNi相和TiNi3相組成，且兩相基本都是交叉出現(xiàn)的，未形成連續(xù)的物相層；釬縫寬度和釬縫中TiNi相呈減少趨勢(shì)；但擴(kuò)散層(Mo(s,s))的寬度基本不變，保持在2～3 μm。當(dāng)釬焊溫度達(dá)到1280 ℃時(shí)，釬縫有呈網(wǎng)格化的趨勢(shì)，對(duì)基體的影響范圍反而增大，溶蝕程度增加。為了探究釬焊溫度對(duì)擴(kuò)散區(qū)Ti含量的影響，對(duì)各釬焊溫度下所獲接頭的擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行了EDS分析，如表2所示。隨著溫度的升高，擴(kuò)散區(qū)中Ti元素的含量增多，但增幅不大。

表2 圖3中各點(diǎn)EDS成分分析結(jié)果（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）

Tab.2 EDS analyses of each spot marked in Fig.3 (atom fraction) %

圖3 釬焊溫度對(duì)TZM/Ti-61Ni/TZM接頭微觀組織的影響

2.3 釬焊溫度對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

圖4為不同釬焊溫度下TZM/Ti-61Ni/TZM接頭的剪切強(qiáng)度?？梢钥闯?，隨著釬焊溫度的升高，接頭抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)釬焊溫度為1240 ℃時(shí)，接頭平均抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值121 MPa。

圖4 釬焊溫度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響

為了解接頭斷裂源、斷裂路徑，將測(cè)試后的樣件重新組裝，沿垂直釬焊面方向切開(kāi)，進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，所有接頭的斷裂起始位置均出現(xiàn)在釬腳附近的母材處，并沿平行于距離釬縫30～50 μm處的母材擴(kuò)展，均未穿過(guò)釬縫。這是因?yàn)樵?200～1280 ℃溫度內(nèi)，Ti-61Ni釬料在TZM合金表面的潤(rùn)濕性很好，大量釬料外溢到TZM合金表面，其中一部分釬料“爬到”TZM合金表面。這部分液態(tài)釬料對(duì)母材表面造成了嚴(yán)重溶蝕，且在母材表層形成較厚的TiNi及TiNi3脆性相層，導(dǎo)致不同釬焊溫度下的接頭斷裂源出現(xiàn)在有釬料爬升的TZM合金表面。

釬焊溫度均超過(guò)1200 ℃，達(dá)到TZM合金的再結(jié)晶溫度，母材晶粒逐漸長(zhǎng)大，同時(shí)接頭中溶入了TZM合金基體，形成了“釘扎”作用，使裂紋不易在釬縫中延伸，所以裂紋主要沿著平行于釬縫的方向擴(kuò)展。當(dāng)釬焊溫度在1220～1240 ℃時(shí)，溶入釬縫的母材隨著釬焊溫度的升高而增多，“釘扎”作用增強(qiáng)，接頭的強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)釬焊溫度超過(guò)1260 ℃后，釬縫呈現(xiàn)網(wǎng)格化趨勢(shì)，接頭的釬腳處逐漸增厚，“爬升”到母材表面的釬料增多，使脆性相層增厚并且對(duì)母材的溶蝕加劇，接頭的強(qiáng)度有所下降。

3 結(jié)論

1）采用Ti-61Ni高溫釬料實(shí)現(xiàn)了TZM合金的可靠連接，接頭典型界面組織為TZM/擴(kuò)散層(Mo(s,s))/ TiNi+TiNi3/擴(kuò)散層(Mo(s,s))/TZM。

2）隨著釬焊溫度的升高，溶入釬縫中的母材逐漸增加，釬縫寬度和釬縫中TiNi相減少，而擴(kuò)散層(Mo(s,s))基本保持在2～3 μm；當(dāng)釬焊溫度達(dá)到1280 ℃時(shí)，溶蝕程度增加，釬縫有呈網(wǎng)格化的趨勢(shì)。

圖5 釬焊溫度對(duì)TZM/Ti-61Ni/TZM接頭斷裂路徑的影響

3）釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度隨著釬焊溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)釬焊溫度達(dá)到1240 ℃時(shí)，接頭獲得最大平均抗剪強(qiáng)度121 MPa。

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Interfacial Microstructure and Mechanical Properties of TZM Alloy Joints Brazed Using Ti-61Ni Filler Metal

TIAN Xiao1, FU Wei2,3, ZHANG Xu-dong2,3, MA Rui1, SONG Xiao-guo2,3

(1. Beijing Power Machinery Research Institute, Beijing 100074, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China)

To obtain reliable brazed joints, the evolution of interfacial microstructure and mechanical properties of TZM/Ti- 61Ni/TZM joints brazed at different temperature were investigated. The Ti-61Ni filler alloy was prepared by arc melting method. The samples were assembled as sandwich structure of TZM/Ti-61Ni/TZM and then brazed in a vacuum furnace at different temperatures (1200～1280 ℃). The interactions between the filler alloy and the base metal were analyzed by SEM and EDS. The mechanical properties of joints were tested and the fracture behavior of the joints was analyzed. The effects of brazing temperature on the evolution of interfacial structure and mechanical properties of the joint were studied. The brazed seam mainly consists of TiNi phase and TiNi3phase. The element Ti in the filler alloy diffuses to the base metal, forming the diffusion layer (Mo(s,s)). With the increase of brazing temperature, the width of brazed seam and the content of TiNi phase decrease, and the dissolution of TZM alloy into liquid filler alloy is enhanced. Also, the shear strength of joints increases firstly and then decreases, and the joints break at TZM base metal. Ti-61Ni filler alloy is used to realize the reliable joining of TZM alloy. The typical interfacial microstructure of the joint is TZM/diffusion layer (Mo(s,s))/TiNi+TiNi3/diffusion layer (Mo(s,s))/TZM. The maximum shear strength of 121 MPa is achieved when the brazing temperature is 1240 ℃.

TZM alloy; vacuum brazing; interfacial microstructure; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.021

TG454

A

1674-6457(2021)04-0144-05

2021-04-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（51905125，51775138）；山東省“泰山學(xué)者”基金（tsqn201812128）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2020QE175）

田驍（1990—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧霞庸すこ碳翱蒲猩a(chǎn)管理。

付偉（1989—），男，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)樾虏牧霞爱愘|(zhì)材料連接。