工藝參數(shù)對高溫鈦合金Ti65擴(kuò)散連接性能的影響

楊 震,張曉巍,張 鑫,王 鈺,李虹霖,趙天章,

(1.沈陽航空航天大學(xué)， 沈陽 110136；2.沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司， 沈陽 110034)

1 引言

鈦合金由于比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天，醫(yī)療和化工等領(lǐng)域。高溫鈦合金由于長期在高溫環(huán)境下仍能保持較高的力學(xué)性能、蠕變抗力和抗氧化能力，常用來生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)燃燒室附近的壓氣機(jī)部件，在航空航天領(lǐng)域中占據(jù)重要地位[1-4]。

Ti65合金是在Ti60合金基礎(chǔ)上研制的一種名義成分為Ti-5.9Al- 4.0Sn-3.5Zr-0.3Mo-0.4Si-0.3Nb-2.0Ta-1.0W-0.05C的10組元近α型高溫鈦合金，設(shè)計(jì)使用溫度為600～650 ℃。Ti65合金密度為4.59 g/cm3，相變點(diǎn)為1 040±10 ℃[5]。相比于Ti60，Ti65合金新加入了W元素，提高了Ta含量，減少了Mo和Nb含量，有效改善了高溫抗蠕變性能，同時(shí)仍保持較好的強(qiáng)度-塑性，蠕變-持久-熱穩(wěn)定性匹配。

擴(kuò)散連接技術(shù)是指同種或異種金屬、非金屬材料，在高溫、高壓、真空或保護(hù)氣體環(huán)境下，連接表面發(fā)生原子擴(kuò)散的一種可靠連接技術(shù)[6-7]。相比于傳統(tǒng)焊接方式，擴(kuò)散連接技術(shù)有效避免了由于金屬液熔化而導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，成形零件具有無宏觀變形，連接部位缺陷少，無殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)[8]。隨著航空航天領(lǐng)域輕量化的發(fā)展，鈦合金擴(kuò)散連接技術(shù)得到了充分發(fā)展。以TC4合金為例，Lee等[9]研究了Ti-6Al- 4V在連接溫度范圍為850～950 ℃，壓力為3.0 MPa，時(shí)間為60～180 min時(shí)的擴(kuò)散連接工藝，并對TC4的高溫氧化行為進(jìn)行了研究。Tang等[10]通過對比850～950 ℃相變超塑性擴(kuò)散連接與950 ℃恒溫超塑性擴(kuò)散連接接頭組織和性能發(fā)現(xiàn)：相變可提高原子擴(kuò)散速率，改善連抗剪強(qiáng)度更高，最高可達(dá)612 MPa。Gao等[11]研究了溫度、時(shí)間對TC4空心結(jié)構(gòu)擴(kuò)散連接接頭性能影響。Cai等[12]通過MARC對TC4合金三層板超塑成形和擴(kuò)散結(jié)合過程進(jìn)行模擬，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，成形制件界面厚度最大誤差不超過12.5 %。目前，國內(nèi)外對于Ti65板材擴(kuò)散連接的研究較少，不明確最佳的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)，本文通過對Ti65合金板材在不同溫度，壓力下的擴(kuò)散連接試驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對Ti65鈦合金板材擴(kuò)散連接焊合率和結(jié)合強(qiáng)度的影響，為Ti65合金在擴(kuò)散連接工程應(yīng)用中提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)采用的材料為Ti65合金板材，厚度為2 mm。原始Ti65鈦合金板材延/沿RD方向的室溫單向拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1，屈服強(qiáng)度達(dá)到了1 173.1 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 208.9 MPa，延伸率為5.3 %。為了通過剪切變形測試界面結(jié)合強(qiáng)度，特設(shè)計(jì)了如圖2(a)所示的試片，長度100 mm，寬度40 mm，留有1 mm×20 mm縫隙(長度方向?yàn)镽D方向，寬度方向?yàn)門D方向)。對線切割加工后的試片進(jìn)行拋光、除油和酸洗處理，去除表面雜質(zhì)等影響擴(kuò)散連接效果的因素，如圖2(b)所示。為了研究試驗(yàn)溫度和壓力對擴(kuò)散連接過程的影響，利用真空熱壓爐進(jìn)行擴(kuò)散連接試驗(yàn)，將待連接的兩塊金屬板置于兩塊石墨厚板間，金屬板上下重疊放置，其中一塊板以TD方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)180°，使得2個(gè)板上的縫錯(cuò)開，形成中間2 mm寬的搭接區(qū)域，上下平臺通過石墨板對板材施壓，如圖3所示。擴(kuò)散試驗(yàn)條件為920 ℃/2 MPa、940 ℃/2 MPa、940 ℃/1 MPa、940 ℃/4 MPa和960 ℃/2 MPa，真空度為5×10-3Pa，保溫時(shí)間為2 h，壓力擴(kuò)散連接試驗(yàn)后樣品如圖2(c)所示。

對擴(kuò)散連接試驗(yàn)后的試樣線切割取樣，剪切試樣尺寸為80 mm×10 mm，搭接區(qū)域面積為20 mm2，拉伸試樣標(biāo)距為24 mm×6 mm×2 mm，取樣方式如圖2(d)所示。采用蔡司顯微鏡觀察金相組織，觀察擴(kuò)散后板材連接界面上的微觀組織，以表征焊合效果；采用MTS電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切拉伸性能測試。

圖1 室溫單向拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curve at room temperature

圖2 試樣Fig.2 Schematic and dimensions of the specimens

圖3 試件安裝示意圖Fig.3 Schematic of the specimen clamping

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 擴(kuò)散連接工藝參數(shù)對焊合率的影響

焊合率是判斷擴(kuò)散連接界面結(jié)合好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，焊合率越高，界面結(jié)合情況越好，焊合率的計(jì)算公式[13]如下：

(1)

式中：L為焊合率;L0為焊接剖面焊縫長度；L1為未焊合區(qū)域焊縫長度。

當(dāng)壓力為1 MPa的時(shí)候，界面結(jié)合處孔洞呈現(xiàn)不連續(xù)線條狀，焊縫區(qū)域的金相組織如圖4(a)所示，未焊接區(qū)域較多，焊合率僅為69 %。圖4(b)所示為940 ℃下壓力為2 MPa保溫2 h的界面結(jié)合形貌，結(jié)合區(qū)域已經(jīng)轉(zhuǎn)化為晶界，但仍存在少量未結(jié)合界面，孔洞高度減小，焊合率為82 %。相同溫度和保溫時(shí)間下，當(dāng)壓力增加至4 MPa時(shí)，焊合率提高至88 %，孔洞數(shù)量、尺寸和長寬比均減少，焊縫區(qū)域的金相組織如圖4(c)所示，仍能觀察到少許未焊合區(qū)。這說明壓力是影響擴(kuò)散連接的重要參數(shù)之一，隨著壓力的提高，焊合率增加，焊接效果提升，焊合率增加的速率減緩，但逐漸接近100%，如圖4(d)所示。

圖4 不同壓力下焊縫區(qū)域的金相組織(a)、(b)和 (c)及焊合率曲線(d)Fig.4 Metallographic structures near bonding interface and bonding rate

圖5(a)所示，當(dāng)連接溫度為920 ℃時(shí)，結(jié)合區(qū)域可以觀察到明顯且連續(xù)的大尺寸孔洞，只有少部分區(qū)域完全接觸，焊合效果較差，焊合率僅為59 %。960 ℃擴(kuò)散焊接的金相組織如圖5(b)所示，可見未焊合區(qū)域基本消失，焊合率達(dá)99%。焊合率隨溫度的提高而增加，如圖5(c)所示。

圖5 不同溫度下焊縫區(qū)域的金相組織(a)、 (b)及焊合率曲線(c)Fig.5 Metallographic structures near bonding interface and bonding rate

3.2 擴(kuò)散連接工藝參數(shù)對RD方向力學(xué)性能的影響

擴(kuò)散連接過程中，板材在高溫環(huán)境中保溫2 h左右，微觀組織將發(fā)生改變，如晶粒長大、相變等，進(jìn)而對力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

圖6 擴(kuò)散連接樣件的單向拉伸性能曲線Fig.6 Unidirectional tensile properties of diffusion bonded specimens

由圖6(a)所示為940 ℃中不同壓力參數(shù)下Ti65板材擴(kuò)散連接后的RD方向力學(xué)性能。當(dāng)壓力為1 MPa、2 MPa和4 MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為984 MPa、974 MPa和959 MPa。經(jīng)過940 ℃保溫2 h后，Ti65板材的室溫抗拉強(qiáng)度有較大幅度的降低，相比擴(kuò)散連接前的原始板材室溫抗拉強(qiáng)度1 208.9 MPa降低了18.6 %、19.4 %和20.7 %。另外，隨著壓力的提高，降幅略有增加。

在壓力為2 MPa時(shí)，材料經(jīng)920 ℃、940 ℃和960 ℃保溫2 h后RD方向室溫抗拉強(qiáng)度分別為981 MPa、974 MPa和970 MPa，參見圖6(b)。可見，隨著擴(kuò)散連接溫度的提高，擴(kuò)散連接后的Ti65板材RD方向的室溫抗拉強(qiáng)度逐漸降低，相比于原始板材的室溫抗拉強(qiáng)度1 208.9 MPa分別降低了18.9 %、19.4 %、19.8 %。

抗拉強(qiáng)度由原始材料的1 208.9 MPa，下降至970 MPa左右，主要原因?yàn)楦邷乇睾螅琓i65板材的組織變化，如圖4(a)-(c)所示，α相晶粒尺寸明確增加，且隨加熱溫度的提高，α相晶粒尺寸由920 ℃的8 μm增加到960 ℃的12 μm。

3.3 擴(kuò)散連接工藝參數(shù)對剪切強(qiáng)度的影響

不同壓力條件下，擴(kuò)散連接件的焊縫室溫剪切強(qiáng)度如圖7(a)所示。940 ℃下，壓力為1 MPa，剪切強(qiáng)度為226.8 MPa，當(dāng)壓力增加至2 MPa時(shí)，剪切強(qiáng)度大幅提高至335.3 MPa，壓力進(jìn)一步增加時(shí)，剪切強(qiáng)度幾乎不發(fā)生改變，達(dá)到了飽和的狀態(tài)。

當(dāng)擴(kuò)散連接壓力為2 MPa時(shí)，隨著擴(kuò)散溫度的提高， 室溫剪切強(qiáng)度逐漸增加，如圖7(b)所示。920 ℃擴(kuò)散連接后，由于存在較多未結(jié)合區(qū)域，焊接質(zhì)量較差，室溫的剪切強(qiáng)度僅為157.5 MPa。960 ℃擴(kuò)散連接后，室溫剪切強(qiáng)度提升至349 MPa。

圖7 擴(kuò)散連接件剪切性能曲線Fig.7 Shear strength of diffusion bonded specimens

3.4 討論

擴(kuò)散連接過程中，溫度會影響連接初期階段表面突出區(qū)域的塑性變形、擴(kuò)散系數(shù)、界面孔洞的消失過程。材料的塑性變形能力隨溫度升高變強(qiáng)，溫度越高，材料擴(kuò)散系數(shù)越大。另外，加熱溫度的升高還會造成母材軟化或硬化以及加速晶粒的長大。壓力對擴(kuò)散連接的影響主要有：1)促使連接初期階段突出區(qū)域的塑性變形；2)加速界面原子激活，促進(jìn)孔洞的愈合；3)破壞表面氧化物，便于金屬直接接觸發(fā)生原子擴(kuò)散；4)防止由于原子擴(kuò)散速度不同導(dǎo)致連接界面一側(cè)移入量小于輸出量而形成的擴(kuò)散孔洞的產(chǎn)生[14]。

擴(kuò)散連接過程分為3個(gè)階段[6]：1) 物理接觸階段；2) 擴(kuò)散，界面推移階段；3) 界面和孔洞消失階段。由于待焊接試件粗糙度較低，表面凹凸不平，擴(kuò)散連接開始階段，焊接表面間并不能完全接觸，表面之間形成孔洞[15]。焊接過程中施加壓力，焊接面接觸面積有限，接觸區(qū)域承受壓力大于Ti65合金的塑性變形抗力，接觸區(qū)域發(fā)生塑性變形。隨著連接過程進(jìn)行，接觸區(qū)域原子高度激活，相互擴(kuò)散并交換電子，此時(shí)連接表面之間的連接方式主要為金屬鍵。由于擴(kuò)散作用，大部分孔洞消失，而且也會產(chǎn)生連接界面的移動。擴(kuò)散繼續(xù)，界面孔洞逐漸發(fā)生愈合消失，未結(jié)合區(qū)域減少，此時(shí)物質(zhì)的主要傳遞形式為體積擴(kuò)散，結(jié)合區(qū)域組織逐漸趨于均勻。孔洞彌合中物質(zhì)傳遞的機(jī)制[16]如圖8所示，其中，機(jī)制2為從表面源至頸部的表面擴(kuò)散；機(jī)制3為從表面源至頸部的體積擴(kuò)散；機(jī)制4為從表面源蒸發(fā)并在頸部沉積；機(jī)制5為從界面至頸部的晶界擴(kuò)散；機(jī)制6為從界面至頸部的體積擴(kuò)散；機(jī)制1和7分別為塑形變形和強(qiáng)化蠕變使孔洞彌合。

圖8 物質(zhì)傳遞機(jī)制示意圖Fig.8 Schematic of mass transfer mechanism

擴(kuò)散連接后Ti65室溫單向拉伸性能下降的原因，一方面是由于高溫處理后，顯微組織內(nèi)部初生α晶粒逐漸等軸粗化，材料抵抗塑形變形能力變差。另一方面原始板材在軋制過程中積累的大量位錯(cuò)，合金在高溫?zé)崽幚頃r(shí)發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，位錯(cuò)密度大大降低[17]。

室溫下Ti65擴(kuò)散連接焊縫的剪切強(qiáng)度決定于2個(gè)因素：焊合率和α相晶粒尺寸。隨著擴(kuò)散連接壓力的增加，溫度的升高，焊合率逐漸增加，晶粒尺寸增大，焊合率的增加實(shí)際上增加了焊縫的承載剪切的有效面積，提高了抗剪能力，但晶粒尺寸的增加降低了Ti65的本身強(qiáng)度。從結(jié)果看，焊合率的影響所占比例更多一些。

4 結(jié)論

1) Ti65板材擴(kuò)散連接的焊合率隨著擴(kuò)散連接溫度和壓力增大而增加。當(dāng)工藝參數(shù)為960 ℃，2 MPa保溫2 h時(shí)，焊合率達(dá)到99 %。

2) 經(jīng)高溫保溫后，Ti65板材的RD方向室溫抗拉強(qiáng)度明顯降低，主要因?yàn)棣料嗑Я３叽缭黾雍突貜?fù)再結(jié)晶，且隨著連接壓力和溫度的提高，室溫抗拉強(qiáng)度逐漸下降。

3) 隨著連接壓力和溫度的提高，Ti65擴(kuò)散連接件的室溫剪切強(qiáng)度逐漸增加，且增幅降低。當(dāng)960 ℃，2 MPa壓力保溫2 h后的剪切強(qiáng)度達(dá)到366 MPa。