TiZrCuNi粉狀釬料真空釬焊TA2純鈦接頭界面組織及力學性能

楊浩哲，裴夤崟，秦 建，龍偉民，2，沈元勛，李秀朋

1.鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

2.中機智能裝備創(chuàng)新研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315700

0 前言

鈦及其合金具有比強度高、耐蝕性好、高溫強度和低溫韌性優(yōu)異等特點，在航空航天、海洋、化工等領域獲得了廣泛的應用［1-2］。釬焊是鈦合金復雜、薄壁部件的重要連接方法，解決鈦合金低溶蝕、高可靠釬焊連接具有重要的科學和工程意義，因此，鈦及其合金用釬料和釬焊工藝的研究一直備受關注。Ganjeh等［3］研究了鈦基釬料釬焊純鈦與TC4異種接頭的組織與性能，在870℃保溫20 min時接頭中存在帶狀金屬間化合物，脆性相的連續(xù)分布導致接頭在剪切試驗中發(fā)生脆斷。Jing等［4］研究發(fā)現在TiZrCuNi釬料中加入一定量Ag元素能減少金屬間化合物的生成，在875℃保溫10 min工藝條件下可獲得強度為469 MPa的CP-Ti/Ti6Al4V接頭。Chang等［5］探討了工藝參數對Ti-6Al-4V/Ti-15-3接頭強度的影響，發(fā)現通過提高釬焊溫度和延長保溫時間能夠消除金屬間化合物相，從而使接頭斷裂模式由脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂，改善了接頭的脆性。

目前，鈦及其合金釬焊的研究主要集中在高性能鈦合金母材及鈦合金/異種金屬的釬焊，而純鈦釬焊面臨的如易溶蝕和形成脆性擴散層等難題尚未得到較好的解決，因此本文采用商業(yè)TiZrCuNi粉狀釬料對TA2商業(yè)純鈦進行真空釬焊試驗，研究接頭界面顯微組織和元素擴散情況，通過剪切試驗和硬度測量對接頭的力學性能進行表征和分析。

1 試驗方法

試驗采用TA2純鈦作為母材，其化學成分符合GB/T 3620.1-2016標準。釬料采用鄭州機械研究所生產的TiZrCuNi粉狀釬料，其名義化學成分見表1。將TA2母材加工成50 mm×60 mm×10 mm的試塊，采用如圖1所示的方式進行裝配，釬焊完成后在試件中心區(qū)域取12個10 mm×10 mm×20 mm試樣進行顯微組織和力學性能分析。試驗前，用砂紙打磨母材待焊表面去除氧化膜，然后將試塊放入丙酮中超聲清洗15 min，以去除試塊表面油污。清洗完成后，使用釬焊工裝夾具對試樣進行裝配和固定，隨后在真空度小于8×10-3Pa的真空爐（ZGS-120）中進行釬焊連接。

圖1 釬焊接頭裝配示意Fig.1 Schematic diagram of brazing assembly

釬焊工藝參數為：釬焊溫度940℃，保溫20 min后隨爐冷卻至室溫。為保證釬焊過程中爐腔內和試件的溫度場分布均勻，采用如圖2所示的釬焊熱循環(huán)。釬焊完成后取試樣進行組織和性能的表征，使用萬能試驗機（MTS GDX300）對試樣進行剪切試驗，采用掃描電鏡（Phenom XL）及能譜儀對釬焊接頭界面組織和剪切斷口形貌進行觀察，用維氏硬度計（HV-1000A）對接頭顯微硬度進行測量。

圖2 釬焊熱循環(huán)Fig.2 Brazing heat cycle

2 試驗結果及分析

2.1 Ti/TiZrCuNi/Ti接頭界面組織

Ti/TiZrCuNi/Ti接頭界面組織如圖3所示，釬縫中未出現明顯的裂紋和氣孔等焊接缺陷，釬料與母材能實現良好的冶金結合。圖3a為接頭整體的微觀組織，釬縫寬度約400 μm，根據界面組織形態(tài)特點可將接頭對稱分為4個區(qū)域，分別為反應層Ⅰ、擴散層Ⅱ、晶間滲入層Ⅲ和母材Ⅳ。

圖3 TA2釬焊接頭典型界面結構Fig.3 Typical interfacial microstructure of TA2 joint brazed at 940℃/20 min

為了明確接頭的顯微組織和各物相組成，使用EDS能譜對釬縫中各組織進行成分分析，結果如表2所示。

表2 圖3中各點EDS分析結果（原子分數，%）Table 2 EDS results and possible phase of each spot in Fig.3（at.%）

圖3b為Ⅰ區(qū)的放大圖，其微觀組織由片層相間的灰色和白色相組成，結合EDS能譜分析推測其應為共析反應產物。由于Cu、Ni元素屬于鈦β穩(wěn)定化共析型元素［6］，當溫度低于共析點時，將發(fā)生β→α+AxBy共析轉變，由β相轉變?yōu)棣料嗪徒饘匍g化合物，因此形成層片狀白色金屬間化合物（Ti，Zr）2（Cu，Ni）和灰色α-Ti的共析組織［7］。圖3c為擴散層Ⅱ和晶間滲入層Ⅲ的組織結構，其主要由針狀α-Ti和分布其間的共析反應產物組成。由于釬焊溫度（940℃）高于Ti的α→β轉變溫度，在此溫度下Ti以bcc結構的β-Ti形式存在，由于擴散作用，β-Ti中固溶了一定量的Cu和Ni元素，冷卻初期冷速較快時，含有少量Cu、Ni元素的β-Ti轉變?yōu)獒槧瞀?Ti和在其間分布的殘余β-Ti，殘余β-Ti在進一步降溫時發(fā)生共析轉變形成了α+（Ti，Zr）2（Cu，Ni）的共析組織。滲入到α-Ti的組織可能是（Ti，Zr）2（Cu，Ni）［8］，由于單一α-Ti層的強度和硬度較低，殘余釬料可能滲入到α-Ti晶界處形成晶間滲入［9］。圖3d顯示釬縫中心Ⅰ區(qū)存在微量白色組織，經EDS能譜分析可知其為（Ti，Zr）2（Cu，Ni）金屬間化合物，該組織成分與原始釬料相近，組織特征與殘余釬料類似［10］，因此判斷其為釬焊溫度下形成液相后未充分擴散而殘余的原始釬料。

釬焊接頭界面的元素分布情況如圖4所示，其中圖4e所示為圖3d中箭頭方向的EDS元素線掃描結果。結合EDS能譜面掃描及線掃描結果可知：Ti元素分布于整個釬焊接頭，在母材和針狀組織中分布較多，殘余釬料中分布較少；Zr元素主要存在于殘余釬料、接頭反應層和擴散層中，在針狀α-Ti中分布較少；Cu和Ni元素的分布情況類似，其在接頭殘余釬料中有明顯富集，在反應層和擴散層中有一定分布，且分布均勻，線掃描的Cu、Ni含量異常上升是由于掃描步長落在了針狀α-Ti之間的共析組織區(qū)，共析組織針狀α-Ti中幾乎不含有Cu和Ni元素。

當釬焊溫度上升至釬料固相線后，釬料開始熔化形成液相，液態(tài)釬料中的合金元素向母材擴散，隨著釬焊溫度上升至Ti的α→β轉變溫度時，母材Ti由hcp結構轉變?yōu)閎cc結構，溫度的提高和晶體結構原子堆垛密度的降低提高了Ti的擴散系數，因此使得元素擴散作用進一步加劇。Zr屬于Ti的中性合金化元素，其與Ti在固相和液相可任意互溶，因此Zr元素發(fā)生了明顯地擴散，但是由于Zr的原子半徑較大，擴散需要更大的激活能［11］，通過熱運動進行強烈擴散的難度較大［12］，因此其擴散程度受距離影響明顯，圖4e中Zr元素的梯度分布證實了這一點。Cu和Ni在β-Ti中固溶度較大，940℃條件下其能通過擴散作用固溶于β-Ti中，冷卻過程中，含有Cu、Ni的β-Ti發(fā)生β→α+（Ti，Zr）2（Cu，Ni）共析轉變，隨著溫度進一步降低，Cu和Ni元素在α-Ti中的固溶度下降，其繼續(xù)以（Ti，Zr）2（Cu，Ni）化合物形式析出，因此Cu和Ni元素主要以（Ti，Zr）2（Cu，Ni）化合物形式存在于釬焊接頭反應層和擴散層，α-Ti對Cu和Ni的固溶度極低，因此針狀α-Ti中幾乎不含有Cu和Ni元素。

圖4 釬焊接頭界面元素分布Fig.4 Interfical elements distribution of brazing joint

2.2 釬焊接頭的剪切性能

通過剪切試驗對釬焊接頭的力學性能進行表征。在釬焊溫度940℃、保溫時間20 min的工藝參數下，TA2釬焊接頭平均剪切強度可達322 MPa，最高值370 MPa，載荷-位移曲線如圖5所示。由于金屬間化合物硬度高、脆性大，往往成為裂紋起點，大量連續(xù)分布的脆性金屬間化合物也會成為裂紋擴展路徑，造成接頭強度嚴重下降［13］。釬焊接頭界面微觀組織顯示，釬縫中幾乎不存在連續(xù)分布的金屬間化合物，除極少量殘余釬料存在于釬縫中心，其余（Ti，Zr）2（Cu，Ni）金屬間化合物皆以薄片層狀形態(tài)分布在共析組織中，這種非連續(xù)分布的金屬間化合物有助于提高接頭強度［14］，使接頭平均剪切強度達到母材極限剪切強度的84%。

圖5 剪切試驗載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of shear test

對剪切試驗后的斷口進行觀察，發(fā)現斷裂發(fā)生在釬縫處，斷口形貌如圖6所示。圖6a為脆性斷口與韌窩斷口的復合斷口形貌，圖6b斷口形貌呈現明顯拉長的韌窩特征，說明釬焊接頭具有一定的塑韌性，而圖6c斷口形貌呈現出沿晶韌窩和解理斷裂特征，因此可以判斷接頭剪切斷裂方式為具有韌性和脆性特征的復合斷裂模式。

圖6 接頭剪切斷口形貌Fig.6 Fractograph of joint after shear test

2.3 釬焊接頭界面的顯微硬度

圖7為釬焊接頭垂直焊縫方向10 kgf的維氏硬度分布測試結果?？梢钥闯?，硬度在焊縫兩端呈對稱分布，TA2母材硬度大約為140 HV10，晶間滲入區(qū)硬度約為180 HV10，擴散層針狀組織+共析組織硬度約為210 HV10，釬縫中心反應區(qū)共析組織硬度在300 HV10以上?？梢娪赡覆南蜮F縫中心硬度逐漸提高，原因是釬縫中形成了（Ti，Zr）2（Cu，Ni）脆硬相［15］。

圖7 釬焊接頭硬度分布Fig.7 Hardness distribution of brazing joint

3 結論與展望

（1）采用TiZrCuNi粉狀釬料實現了TA2的真空釬焊連接，在940℃×20 min工藝參數下獲得的接頭典型界面組織結構為TA2/針狀α-Ti+共析組織（α-Ti+（Ti，Zr）2（Cu，Ni））+殘余釬料/TA2。

（2）釬縫界面Cu、Ni元素分布較為彌散均勻，主要存在于殘余釬料和共析反應產物中，針狀α-Ti中不含有Cu和Ni，其僅由Ti、Zr元素組成，Zr的分布具有明顯的梯度。

（3）釬焊接頭室溫抗剪強度為322 MPa，為TA2母材極限剪切強度的84%，斷口形貌顯示釬焊接頭具有一定塑韌性，斷裂模式為韌性和脆性復合斷裂。

（4）共析反應產物片層狀（Ti，Zr）2（Cu，Ni）化合物的產生使釬縫硬度提高到母材的兩倍以上，脆性金屬間化合物降低了接頭的塑韌性。

（5）顯微組織顯示釬焊接頭擴散區(qū)形成了α-Ti與共析反應產物的針狀相間組織，對于針狀組織的形成機理及性能有待進一步研究。

（6）本文僅研究了一組工藝條件下釬焊接頭的顯微組織與力學性能特點，由于釬焊工藝參數對釬焊接頭的組織和性能有很大影響，因此有必要系統(tǒng)性開展釬焊溫度、保溫時間等工藝參數對接頭組織性能的影響研究。