钛合金与钢异种材料钎焊研究现状

2018-11-26,,,

机械制造文摘(焊接分册) 2018年5期

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(1.大连理工大学，辽宁大连 116023;2.上海航天设备制造总厂，上海 200245)

0 前言

钛合金具有密度低、比强度高、耐高温、韧性好、优异的耐腐蚀性和良好的加工性等优点，被誉为当代崛起的第三金属，广泛应用于航空航天、医疗、船舶、化工能源等领域[1-3]。钛合金中的TC4(Ti-6Al-4V)占生产总量的30%[4]，属于α+β钛合金，没有脆硬化合物沉淀问题，具有综合性能高、焊接性能良好等优点，在航空航天工业中用作飞机襟翼导力框、发动机吊架、直升机旋叶托座等。TiAl合金作为一种金属间化合物结构材料，具有密度低、比强度高、高温性能好及耐腐蚀性良好等优点，在发展新型发动机方面有巨大潜力。2007年美国波音公司宣布，其787民用客机使用的发动机GENX低压涡轮后两级叶片采用TiAl合金，减轻发动机质量约362.9 kg[5-6]。目前限制钛合金应用推广的主要问题是成本高昂，而钢是最常用的结构材料，具有一系列优异的性能，如力学性能、焊接性、热稳定性等，且成本低廉[7-8]。因此，钛及钛合金与钢的复合构件，能充分发挥两种材料在性能和经济上的优势[9]，在航空航天领域有广泛的应用前景，如发动机油管接头、转子盘、叶片接头及卫星用新型燃料喷注器等，钛合金与钢异种材料连接研究得到了越来越多研究者的关注[10-11]。为阐明钛合金与钢异种材料钎焊连接难点及研究现状，进行了钛/钢钎焊研究综述，系统阐述了银基钎料、钛基钎料、瞬时液相扩散焊及复合中间层工艺连接钛/钢的研究成果。

1 钛合金和钢焊接难点

异种金属的焊接性取决于它们在物理以及化学性能上的相容性。钛合金与钢性能差异显著，首先表现在物理性能方面，工业纯钛和纯铁的主要热物理性能参数见表1。可以看出，铁和钛在密度、比热、导热系数与线膨胀系数上存在明显差异[12]，导致二者焊后残余应力较大，难以形成良好焊缝，严重时甚至开裂以致于不能形成接头[13]。其次是化学性能方面，从图1a可以看出室温下铁在钛中的固溶度极小，仅为0.05%～0.1%，焊接过程中，由于温度升高，铁在钛中的固溶度增加；而当焊接结束后，温度下降导致铁在钛中的固溶度下降，引起铁在钛中过饱和，从而在焊缝中形成一系列Fe-Ti金属间化合物，而且钛是强碳化物的形成元素，与钢中的碳极易形成脆性TiC化合物；此外，Cu经常作为填充材料应用在钛/钢钎焊中，如图1b所示，二者容易形成多种金属间化合物，它们都将对接头产生不利影响，降低接头性能。

表1 钛和铁的热物理性能参数[12]

图1 Ti-Fe和Ti-Cu二元相图[14]

由于钛/钢焊接存在上述难点，采用传统的熔焊方法难以得到满意的焊接接头。目前，钛/钢焊接主要采用固相焊(真空扩散焊[15-16]、旋转摩擦焊[17-19]、搅拌摩擦焊[20-21]、爆炸焊[22-24])及钎焊[25]。相比于固相焊接，钎焊的优势在于接头形式的多样性，适合多种焊接结构；并且，可在较低的温度下进行，对母材性能影响较小，钎焊过程中工件整体加热，因此接头的残余应力较小。钎焊方法的特点保证了其在异种金属连接中的优势，尤其在消除接头残余应力上优势明显[26]，国内外学者针对钛/钢钎焊进行了大量研究，并取得了一系列研究成果。

2 银基钎料

银基钎料对多种合金具有良好的润湿性和优异的冶金性能，是市场占有率较高的一种优良钎料。采用银基钎料钎焊钛/钢时，钎缝中金属间化合物的生成能得到很好的抑制，从而增强钎焊接头的力学性能[27]。此外，使用银基钎料的钛/钢钎焊可以在较低的钎焊温度下进行(720～950 ℃)，因此该钎料被广泛应用于钛合金与钢的钎焊当中。银基钎料多以Ag-Cu共晶组织为基体，并加入其它合金元素(Ti，Zn，Li，Ni，Al等)从而得到不同性能的钎料。部分银基钎料钎焊钛/钢研究成果见表2。

Yue等人[28]采用Ag-26.7Cu-4.6Ti钎料钎焊TC4钛合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢，接头微观组织如图2a所示，由白色的银基固溶体和灰色的Ti-Cu金属间化合物组成。元琳琳等人[29]采用Ag-28Cu钎料钎焊纯钛和Q235低碳钢，接头微观组织如图2b所示，同样分为白色的银基固溶体和灰色的Ti-Cu金属间化合物。其中Ti-Cu化合物的形成机理如反应式(1)～(5)所示。

表2 银基钎料钎焊钛/钢工艺参数与接头力学性能

注：①接头强度未标明温度均为室温。

L+CuTi2→(Ag)+CuTi (908 ℃)

(1)

L+CuTi→(Ag)+Cu4Ti3(860 ℃)

(2)

L+Cu4Ti3→(Ag)+Cu3Ti2(843 ℃)

(3)

L+Cu3Ti2→(Ag)+Cu4Ti (808 ℃)

(4)

L+Cu4Ti→(Ag)+(Cu) (783 ℃)

(5)

图2 银基钎料钎焊钛/钢接头组织[29-30]

Noda等人[30]采用银基钎料63Ag-35.2Cu-1.8Ti(CUSIL-ABA)钎焊TiAl合金/AISI4340钢，工艺参数为830 ℃保温30 s。结果表明，钎缝中有两种相生成，在钢一侧生成了Ag，Cu，Fe三元共晶体；而在钛一侧生成了AlCu2Ti金属间化合物。接头室温抗拉强度为320 MPa，500 ℃条件下抗拉强度为310 MPa，高温强度保持良好。He 等人[31]采用同样的钎料钎焊TiAl合金/35CrMo钢，在870 ℃下保温5 min得到的钎焊接头室温最大抗拉强度为320 MPa。在TiAl一侧同样产生了AlCu2Ti化合物，该化合物硬度较大，对缺陷比较敏感，厚度约占钎缝的1/3。接头在400 ℃下的高温抗拉强度为248 MPa，断裂于Al-Cu-Ti金属间化合物层。为了控制AlCu2Ti的生成量，进而提高接头强度，Li等人[32]采用Ag-28Cu合金中间夹Ti箔为钎料钎焊TiAl合金/42CrMo钢。钎焊接头可分为三个区域：靠近TiAl一侧的反应层，由Ti3Al，AlCuTi和AlCu2Ti组成；钎缝中间区域主要为银基固溶体，其中Ag-Cu共晶体与AlCu2Ti化合物呈块状与条带状弥散分布；靠近钢侧为TiC化合物层。在900 ℃和5 min钎焊条件下，接头在室温下的最大抗拉强度和抗剪强度分别为347 MPa和229 MPa。当钎焊温度和钎焊时间增加时，脆硬相TiC和Al-Cu-Ti会大量生成和长大，接头强度被削弱；而当钎焊温度和钎焊时间减少时，接头内部会有残余的Ti中间层，裂纹容易在此萌生并扩展。综上所述，银基钎料钎焊钛/钢时，钎焊接头内脆性化合物的生成得到抑制，力学性能较好；但其高温性能较差，钎焊接头耐腐蚀性能差，生产成本高，使得银基钎料的应用受到一定程度的限制。

3 钛基钎料

采用钛基钎料钎焊的接头具有耐腐蚀性良好、服役温度高、对母材润湿性良好、生产成本相对低等优点，接头经过充分扩散处理后还可达到较高的塑性[44]。然而钛基钎料熔点较高，在钎焊过程中钛母材容易发生α→β相转变，从而降低母材强度。向钛基钎料中加入Zr，Ni，Cu，Co，Li等合金元素可以降低钎料熔点，进而提高接头性能[45- 46]。部分钛基钎料钎焊钛/钢的研究成果见表3。

Noda等人[30]采用Ti-15Cu-15Ni钎料钎焊TiAl合金和AISI4340钢，发现钛基钎料的高熔点及其本身固有的活性导致钎缝中在钢侧有Ti(Fe, Al)生成，而在钛侧生成了Ti3(Al, Fe)相。此外，在钢与Ti(Fe, Al)层之间形成TiC脆性化合物，为接头的薄弱部分。钎焊接头在室温和500 ℃下抗拉强度分别为210 MPa和255 MPa。陈波等人[47]采用Ti-15Cu-15Ni钎料钎焊TiAl合金和42CrMo钢，在1 000 ℃下保温5 min，钎缝中无TiC相生成，但Ti与Al，Cu，Ni等元素发生反应，生成了Ti-Al，Ti-Cu，Ti-Ni金属间化合物，钢侧生成了Ti-Fe脆性相。接头的抗拉强度平均值为95.1 MPa，这可能是因为保温温度过高且时间过长，接头中的Cu， Ni，Fe，Al等元素与Ti形成脆性金属间化合物，其中Ti-Fe化合物最为明显，劣化了接头性能。

表3 钛基钎料钎焊钛/钢工艺参数与接头力学性能

注：①其中[30]、[38]、[47]采用晶态钎料，其它为非晶态钎料；②接头强度未标明温度均为室温。

与上述晶态钎料相比，非晶钎料具有更低的熔点和更好的流动性，可以选用较低的钎焊温度和保温时间，熔化时原子扩散迁移率更高，可缩短钎焊热循环时间，以减少焊缝内脆性相的生成或抑制其长大[53]，从而优化钎焊接头的性能。因此，国内外学者采用钛基钎料钎焊钛/钢时，主要集中于非晶钛基钎料。

吴威[36]采用Ti-33Zr-13.3Ni-16.2Cu钎焊TC4钛合金与38MnVS6钢，其接头微观组织如图3a示。钢母材中的铁元素向钎缝中溶解扩散形成Ti-Fe金属间化合物，碳元素聚集在钎缝与钢母材界面处，形成连续的TiC反应层。接头最高抗剪强度在930 ℃保温20 min条件下为104 MPa。Lee等人[48]采用Zr-13.8Ti-10.0Ni-12.5Cu-22.5Be非晶钎料真空感应钎焊CP-Ti(Gr.2)和UNS S31254不锈钢，Be元素具有非常显著的降熔点效果，因此钎焊温度最低可以降至750 ℃，保温时间为10 min。接头强度在800 ℃保温条件下达到190 MPa，断裂起源和扩展均位于[FeTi, NiTi]基体和NiTi2处。Ti-Cu二元体系具有较好的非晶形成能力，适用于非晶钛基钎料的制备。Dong等人[49]采用Ti-22Ni-10Cu-8Zr非晶钎料钎焊TiAl合金与40Cr钢，接头微观组织如图3b所示，钎缝中形成了脆性Ti3Al及Ti2Ni脆性化合物，劣化接头性能，其抗剪强度仅为32 MPa。综上所述，采用钛基钎料制备的钛/钢钎焊接头高温力学性能良好，但由于熔点较高，易对母材尤其是钛母材产生影响。

图3 钛基钎料钎焊钛/钢接头组织[36,49]

4 瞬时液相扩散焊

瞬时液相扩散焊(TLP)是一种利用母材和钎料之间发生共晶反应，局部熔化为液相进而实现材料连接的特殊钎焊方法[54]。原理是焊接过程中温度达到焊接温度之后，中间层金属含有的降熔元素向母材扩散，使中间层与母材发生共晶反应达到连接效果。钛/钢瞬时液相扩散焊大多选择纯铜作为中间层，原因是Ti和Cu的共晶温度约为870 ℃，温度较低。采用瞬时液相扩散焊方法连接钛/钢部分研究成果见表4。

Ehsan等人[55,61]利用25 μm的Cu箔对Ti-6Al-4V与AISI304钢进行焊接，接头微观组织如图4所示，从钛母材到钢母材，接头组织分别为Ti-Cu和Ti-Fe金属间化合物。当温度达到960 ℃时，由于Cu元素向两侧母材扩散，在钛母材侧发生β-Ti稳定化，在钢母材侧的组织为γ-Fe固溶体。随着保温时间的延长，接头宽度先增加后降低，这是由于等温凝固在长时间保温中充分进行的结果。接头抗剪强度在960 ℃/60 min条件下达到最高值374 MPa。而随着温度升高或时间延长，接头断裂形式由脆性断裂转变为混合断裂。Zakipour等人[56-57]探究Cu箔厚度对TC4/316L钢接头的影响。结果表明，Cu箔的厚度对接头宽度有直接的影响，当Cu箔厚度为150 μm时，接头宽度超过了600 μm。Cu箔厚度为50 μm，1 100 ℃/60 min钎焊条件下钎焊接头的抗剪强度达到最高，为284 MPa。综上所述，采用TLP工艺钎焊钛合金与钢所得接头力学性能优良，但采用的中间层多为纯铜，其单一性很难满足多种材料的钎焊要求；钎焊接头中存在大量的Cu基固溶体，抗腐蚀性能难以保证，因此该工艺的应用范围有限。

表4 瞬时液相扩散焊钛/钢工艺参数与接头力学性能

注：①接头强度未标明温度均为室温。

图4 采用25 μm厚的Cu箔瞬时液相扩散焊连接304不锈钢/TC4合金[55,61]

5 复合中间层钎焊研究

为进一步改善钎料对母材的润湿性，控制脆性金属间化合物的生成，提高接头强度，研究者在金属母材上进行溅射涂覆或化学镀层处理，而后添加钎料进行钛/钢钎焊。该金属中间层可以有效阻止钎焊过程中活性元素的扩散，从而抑制金属间化合物的生成和分布。

Shiue等人[62]在不锈钢上化学镀Ni金属层，采用BAg-8钎料钎焊TC4/17-4PH不锈钢，发现Ni层有效地阻止了Ti与Fe相互反应，避免了Ti-Fe金属间化合物的大量生成，镀Ni层使钎焊接头的最大抗剪强度从96 MPa提升至210 MPa，接头断裂于TiCu脆性反应层。Lee等人[63-65]采用BAg-8钎料和溅射涂覆Ag中间层对CP-Ti(Gr.2)和UNS S31254不锈钢真空感应钎焊进行了系列研究，溅射涂覆Ag层前后的接头界面微观组织形貌，如图5所示。结果表明，接头形式为Ti(母材)/TiAg化合物/Ag固溶体/不锈钢(母材)，钎缝中Ti元素的扩散被Ag层阻隔而形成韧性较好的TiAg金属间化合物，接头抗拉强度达410 MPa。动电位极化试验与阻抗谱试验表明[64]，有Ag中间层的接头阻抗更高、自腐蚀电流更小，具有更优良的耐腐蚀性。此外，作者发现接头弹性变形行为体现为等应力状态，并用不同层之间的弹性相互作用力解释了接头强度高于Ag固溶体层强度的原因。Lee等人[66]还采用Ti-26Ni-16Zr非晶钎料和V/Cr/Ni中间层对比研究了Ti(Gr.2)和UNS S31254不锈钢真空感应钎焊。采用Ti-26Ni-16Zr非晶钎料时，焊缝中生成大量Ti基脆性金属间化合物，如(Ti, Zr)2(Fe, Ni)，TiFe，Ti2(Fe, Ni)，导致接头强度低于100 MPa；采用V/Cr/Ni中间层时，没有检测到金属间化合物，接头抗拉强度增加至480 MPa。综上所述，采用复合中间层钎焊钛合金与钢，所得接头中脆性化合物生成最少，力学性能最优，但工艺也最复杂。