TiZrNiCu釬料在TA1/TC4異質(zhì)界面的反應(yīng)潤(rùn)濕過(guò)程

高德君 武紹旺 楊生旭 張承浩 劉永旭 司曉慶 曹健

摘要： 試驗(yàn)采用Ti51ZrNiCu釬料，研究其在TA1/TC4異質(zhì)界面的反應(yīng)潤(rùn)濕過(guò)程，使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析儀（EDS）及潤(rùn)濕角測(cè)量?jī)x等分析方法研究了不同表面的潤(rùn)濕界面組織結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了試驗(yàn)參數(shù)對(duì)組織結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕能力的影響規(guī)律。而后進(jìn)行了填縫試驗(yàn)，用于衡量Ti51ZrNiCu釬料在TA1/TC4異質(zhì)界面的潤(rùn)濕鋪展能力，總結(jié)了釬料填充經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明，在試驗(yàn)參數(shù)為935 ℃/3 min的條件下，TiZrNiCu釬料對(duì)TA1和TC4母材填充能力可簡(jiǎn)化為經(jīng)驗(yàn)公式：h=4 000/a，其中釬縫間隙a的單位為μm，爬升高度h單位為mm。

關(guān)鍵詞： TC4合金; TA1合金; TiZrNiCu釬料; 潤(rùn)濕; 填縫試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TG 454

Study on the reactive wetting process of TiZrNiCu on TA1/TC4 heterogeneous interface

Gao Dejun1， Wu Shaowang2， Yang Shengxu2， Zhang Chenghao1， Liu Yongxu1， Si Xiaoqing1， Cao Jian1

（1. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China；

2. Xian Space Engine Company Limited， Xian 710100， China）

Abstract： Ti51ZrNiCu filler alloy was used to study the reactive wetting process on TA1/TC4 heterogeneous interface. The interfacial microstructure of different surfaces was studied by scanning electron microscope（SEM）， energy dispersive spectrometer（EDS） and wetting angle measuring instrument. And the influences of experiment parameters on interfacial microstructure and wettability were summarized. The filling experiment was finished to evaluate the wetting and spreading ability of TiZrNiCu on TA1/TC4 heterogeneous interface. The empirical equation of filling experiment was summarized. The empirical equation， h=4 000/a， was used to assess filling ability of TiZrNiCu on TA1/TC4 heterogeneous interface at 935 ℃ for 3 min. In this empirical equation， the unit of brazing gap a is μm， and the unit of climbing height h is mm.

Key words：TC4 alloy; TA1 alloy; TiZrNiCu filler alloy; wetting behaviour; filling experiment

0?前言

自從鈦金屬商業(yè)化以來(lái)， 鈦及鈦合金就因其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。鈦的密度約為4.51 g/cm³， 不到鋼密度的60%， 高比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、抗氧化性能等使其成為一種重要的金屬結(jié)構(gòu)材料^[1-2]。鈦及鈦合金主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域， 在船舶、汽車及建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益增加。隨著鈦合金的廣泛應(yīng)用， 成分單一、一次成形的鈦合金器件難以滿足使用需求的提高， 因此鈦及鈦合金的異種材料連接具有重大的使用意義^[3-5]。

TA1作為一種成形性能較好的工業(yè)純鈦， 往往被制備成高精度構(gòu)件， 但是TA1的其他性能不能滿足服役需求， 為此常常與其他鈦合金構(gòu)成復(fù)合器件使用^[6-8]。目前， 應(yīng)用最為廣泛的鈦合金為固溶強(qiáng)化鈦合金， 其中， α + β型兩相TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金具有良好的塑形和優(yōu)異的力學(xué)性能， 在航空航天中火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器后部升降舵夾具、壓力容器等方面大量應(yīng)用^[9]。因此， 實(shí)現(xiàn)TA1和TC4鈦合金的可靠連接對(duì)于制造應(yīng)用于航空航天中的精密器件具有重大意義。

在各種連接方法中， 釬焊因其焊接溫度遠(yuǎn)低于母材熔點(diǎn)， 導(dǎo)致焊接變形小、焊接精度高， 對(duì)母材性能影響小， 往往應(yīng)用于高精度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的連接^[10-11]。釬焊是利用液態(tài)釬料在母材表明潤(rùn)濕鋪展， 從而填充焊縫， 最終實(shí)現(xiàn)與母材良好冶金結(jié)合的焊接方法。釬料在母材表面的潤(rùn)濕性往往決定焊接的成功與否， 良好的潤(rùn)濕是成功實(shí)現(xiàn)連接的關(guān)鍵。因此， 研究釬料的潤(rùn)濕過(guò)程對(duì)釬焊具有重大意義^[12-14]， 文中采用與母材成分相近的TiZrNiCu作為釬料， 研究了TiZrNiCu釬料在TA1/TC4異質(zhì)界面的反應(yīng)潤(rùn)濕過(guò)程， 為二者的有效連接提高理論基礎(chǔ)。

1?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為釬料潤(rùn)濕鋪展試驗(yàn)和填縫試驗(yàn)兩部分， 鋪展試驗(yàn)采用尺寸均為40 mm × 40 mm × 3 mm的TA1鈦合金和TC4 鈦合金片， 試驗(yàn)前， 采用200號(hào)、400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)砂紙將潤(rùn)濕面打磨光亮， 并清洗干凈。填縫試驗(yàn)采用尺寸均為100 mm × 70 mm × 3 mm的TA1鈦合金和TC4 鈦合金板， 上端加工出45°倒角， 以便于釬料的預(yù)置。需釬料潤(rùn)濕的表面進(jìn)行精加工， 粗糙度為3.2， 四周打直徑為8 mm的孔洞， 二者用螺栓進(jìn)行裝配， 焊前使用酒精清洗干凈， 不同厚度的（20，50，80，100 μm）鈦箔放置二者之間， 用于控制縫隙寬度， 其裝配示意圖如圖1所示， 填縫試驗(yàn)完成后， 將試件延填縫方向切為7部分， 每部分寬均為10 mm， 采用光學(xué)顯微鏡觀察釬料填縫狀態(tài)后， 測(cè)量每部分截面填縫長(zhǎng)度后取平均值。試驗(yàn)所使用的釬料為Ti51ZrNiCu粉末， 其成分如表1所示， DSC測(cè)試表明其熔點(diǎn)在845 ℃， 焊前采用聚乙烯醇水溶液配制成焊膏備用。

試驗(yàn)參數(shù)選用935 ℃/3 min， 室溫到800 ℃的升溫速率為20 ℃/min， 保溫5 min， 800 ℃到935 ℃的升溫速率為10 ℃/min， 保溫3 min后， 以10 ℃/min的降溫速率降到450 ℃后隨爐冷卻。采用潤(rùn)濕角測(cè)量?jī)x測(cè)量潤(rùn)濕角、掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對(duì)界面進(jìn)行觀察分析。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?TiZrNiCu釬料潤(rùn)濕典型界面組織

在試驗(yàn)溫度為935 ℃、保溫時(shí)間為3 min的條件下， 所獲得的TiZrNiCu釬料在TA1表面潤(rùn)濕的典型組織結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯?， 釬料在母材潤(rùn)濕鋪展性能良好， 接觸角度較小， 釬料與母材間的結(jié)合較為致密， 沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋和斷裂傾向， 釬料與母材界面處有多種物相組成。釬料潤(rùn)濕后圖2中A～E點(diǎn)能譜結(jié)果。如表2所示。潤(rùn)濕界面分為3個(gè)區(qū)域：母材擴(kuò)散區(qū)、母材與釬料反應(yīng)區(qū)和釬料潤(rùn)濕區(qū)。在釬料潤(rùn)濕區(qū)， 可以觀察到釬料和TA1發(fā)生溶解擴(kuò)散， 釬料與母材發(fā)生反應(yīng)后主要由兩部分組成， 一是以點(diǎn)A處為代表， 由明暗兩相組成， 其中暗相與母材相近， 元素成分主要為Ti元素， 存在少量的釬料中元素，即Zr元素、Cu元素、Ni元素。物相應(yīng)該為α-Ti相， 而亮相呈針狀組織且彌散分布， 存在較多的Zr元素、Cu元素、Ni元素， 物相應(yīng)為β-Ti相；二是由B點(diǎn)與C點(diǎn)代表的網(wǎng)絡(luò)狀亮相與點(diǎn)狀暗相交織組成， 根據(jù)能譜分析， 網(wǎng)絡(luò)狀的亮相應(yīng)為（Ti，Zr）₂（Ni，Cu）相， 點(diǎn)狀的暗相應(yīng)為β-Ti相。母材與釬料反應(yīng)區(qū)， 即釬料與母材接觸的界面處， 點(diǎn)D， 其物相形貌和能譜結(jié)果與A點(diǎn)相似， 因此物相應(yīng)相同， 皆為α-Ti + β-Ti相。母材擴(kuò)散區(qū)是由釬料擴(kuò)散到母材深處形成的， 產(chǎn)生具有方向性針狀物相， 由E點(diǎn)能譜結(jié)果可知， 該相應(yīng)該為α-Ti相， 釬料中少量的Zr元素、Cu元素、Ni元素?cái)U(kuò)散到母材中。

在試驗(yàn)溫度為935 ℃、保溫時(shí)間為3 min的條件下， 所獲得的TiZrNiCu釬料在TC4表面潤(rùn)濕的典型組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。與釬料在TA1表面潤(rùn)濕相似， 釬料與母材結(jié)合較為致密， 沒(méi)有明顯缺陷， 釬料在母材潤(rùn)濕鋪展性能良好， 接觸角度較小。表3為釬料潤(rùn)濕后圖3中A′～C′點(diǎn)能譜結(jié)果， 物相成分和形貌與TA1潤(rùn)濕界面相似， 總體相同， 只有釬料與母材反應(yīng)界面處略有差異， 相較于TA1潤(rùn)濕界面， TC4的潤(rùn)濕界面的α-Ti + β-Ti相更為明顯， 同時(shí)釬料滲入母材距離較短， 且無(wú)明顯的方向性存在。

基于以上對(duì)TiZrNiCu釬料潤(rùn)濕界面組織分析， 認(rèn)為在試驗(yàn)溫度為935 ℃， 保溫時(shí)間為3 min， 釬料與TA1或TC4母材發(fā)生反應(yīng)潤(rùn)濕， 潤(rùn)濕效果良好， 界面組織由均勻的三部分組成， 即含有少量Ni元素、Zr元素、Cu元素α-Ti相的母材擴(kuò)散區(qū)， 較多的Ni元素、Zr元素、Cu元素α-Ti + β-Ti相的母材與釬料反應(yīng)區(qū)， 和α-Ti + β-Ti相 + （Ti，Zr）₂（Ni，Cu）相組成的釬料潤(rùn)濕區(qū)。

2.2?試驗(yàn)溫度對(duì)潤(rùn)濕界面的影響

圖4， 圖5分別為在保溫時(shí)間為3 min的條件下， 所獲得的不同試驗(yàn)溫度（915～955 ℃）的TiZrNiCu釬料在TA1和TC4鈦合金表面潤(rùn)濕界面組織結(jié)構(gòu)。可以觀察到， 隨著試驗(yàn)溫度的增加， 釬料潤(rùn)濕區(qū)中白色相（Ti，Zr）₂（Ni，Cu）略有增加， 但效果不顯著。釬料與母材反應(yīng)區(qū)逐漸增加， 母材的溶解區(qū)變厚， 但界面組織整體變化不大， 說(shuō)明潤(rùn)濕組織對(duì)這個(gè)區(qū)間內(nèi)的試驗(yàn)溫度不敏感， 具有較寬的潤(rùn)濕溫度工藝區(qū)間。在試驗(yàn)溫度為915～955 ℃范圍變化下， TiZrNiCu釬料對(duì)TA1和TC4鈦合金表面的潤(rùn)濕鋪展效果較為良好。

圖6為在保溫時(shí)間為3 min的條件下， 不同試驗(yàn)溫度下， TiZrNiCu釬料在TA1和TC4鈦合金表面潤(rùn)濕角的變化， 二者變化規(guī)律相同， 這歸結(jié)于釬料與二者的反應(yīng)相似。隨溫度的增加， 釬料的潤(rùn)濕性小幅提高， 潤(rùn)濕角略有起伏， 但整體呈下降趨勢(shì)。

2.3?保溫時(shí)間對(duì)潤(rùn)濕界面的影響

圖7和圖8分別為在試驗(yàn)溫度為935 ℃的條件下， 所獲得的不同保溫時(shí)間（1～10 min）的TiZrNiCu釬料在TA1和TC4鈦合金表面潤(rùn)濕界面組織結(jié)構(gòu)。

隨著保溫時(shí)間的增加， 潤(rùn)濕界面組織基本沒(méi)有明顯變化， 結(jié)合圖9潤(rùn)濕角隨時(shí)間的變化， 可以發(fā)現(xiàn)在1～10 min的保溫時(shí)間范圍內(nèi)， 潤(rùn)濕角略有起伏， 但是整體變化不明顯， 說(shuō)明潤(rùn)濕組織對(duì)這個(gè)區(qū)間內(nèi)的保溫時(shí)間不敏感， 根據(jù)其他學(xué)者的研究及使用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)^[15-16]， TiZrNiCu釬料在連接強(qiáng)度件時(shí)， 需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)崽幚恚?所以保溫時(shí)間1～10 min較短， 對(duì)潤(rùn)濕界面及潤(rùn)濕角沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。

2.4?填縫試驗(yàn)結(jié)果

在填縫試驗(yàn)中，人工設(shè)置了不同寬度（20，50，80，100 μm）的間隙，采用的試驗(yàn)參數(shù)為935 ℃/3 min，測(cè)量釬料在縫隙中充填的長(zhǎng)度，以衡量釬料的填縫能力。圖10是間隙為80 μm的典型光學(xué)照片，可以看出釬料在試件前部充分填充，到中部位置填充結(jié)束，未能填充所有縫隙。不同間隙下（20，50，80，100 μm），釬料填充的長(zhǎng)度不同，其對(duì)應(yīng)的平均填充長(zhǎng)度為完全填充、82.98，52.74，48.08 mm。根據(jù)釬焊中釬料爬升高度公式，即

式中：a為平行板的間隙， 釬焊時(shí)即為釬縫間隙；ρ為液體的密度；σ_SG為固氣界面的比表面自由能；σ_LG為液氣界面的比表面自由能；g為重力加速度。

在焊接參數(shù)、釬料及母材固定的情況下， 除釬縫間隙外， 其他參數(shù)均相同， 那么釬料爬升高度應(yīng)與釬縫間隙成反比， 將所得結(jié)果帶入發(fā)現(xiàn)數(shù)值大致符合客觀規(guī)律， 因釬料與母材的反應(yīng)影響了釬料的爬升高度， 故所測(cè)量值不能等于滿足公式計(jì)算結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 可將TiZrNiCu釬料在TA1/TC4板填充長(zhǎng)度化為經(jīng)驗(yàn)公式：h=4 000/a， 其中釬縫間隙a的單位為μm， 爬升高度h單位為mm。

3?結(jié)論

（1）TiZrNiCu釬料， 對(duì)TA1和TC4母材潤(rùn)濕性良好， 在試驗(yàn)溫度為915～955 ℃之間時(shí)， 二者的潤(rùn)濕角均在30°左右。

（2）試驗(yàn)溫度對(duì)TiZrNiCu釬料在TA1和TC4母材上的潤(rùn)濕性有影響， 隨著溫度的增加（915～955 ℃）， 潤(rùn)濕角逐漸降低；而保溫時(shí)間（1～10 min）對(duì)其潤(rùn)濕性沒(méi)有顯著影響。

（3）在試驗(yàn)參數(shù)為935 ℃/3 min的條件下， TiZrNiCu釬料對(duì)TA1和TC4母材填充能力可簡(jiǎn)化為經(jīng)驗(yàn)公式：h=4 000/a， 其中釬縫間隙a的單位為μm， 爬升高度h單位為mm。

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高德君簡(jiǎn)介： 博士；主要從事釬焊及擴(kuò)散焊方面的科研工作;16b909087@hit.edu.cn。

司曉慶簡(jiǎn)介： 通信作者，博士， 副研究員， 碩士生導(dǎo)師；主要從事陶瓷/金屬釬焊/擴(kuò)散焊， 高溫固態(tài)能源器件封接;發(fā)表論文30余篇;sixq@hit.edu.cn。

*源文獻(xiàn)：高德君， 武紹旺， 楊生旭， 等. TiZrNiCu釬料在TA1/TC4異質(zhì)界面的反應(yīng)潤(rùn)濕過(guò)程[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2023， 44（6）： 8-14.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目（52125502）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（52005131）；黑龍江省“頭雁”團(tuán)隊(duì)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（HITTY-20190013）。