Ti/Al异种材料搭接焊的研究现状

张 哲

（沈阳航空航天大学 航空航天工程学部,沈阳 110136）

Ti/Al异种材料搭接焊的研究现状

张 哲

（沈阳航空航天大学 航空航天工程学部,沈阳 110136）

本文对Ti/Al异种材料搭接焊的研究现状进行了综述，分类介绍了钎焊、熔纤焊和固相焊的应用，详细分析了各个焊接方法在Ti/Al搭接接头应用中的优劣，展望了Ti/Al搭接接头的工程应用前景。

Ti/Al；异种材料；搭接焊

1 序言

钛合金由于其高强度、耐腐蚀性、良好的疲劳寿命，被广泛应用于航空航天制造业[1]，但是由于成本控制等原因，限制了其在实际工程中的应用。为了使钛合金的应用达到高性能、低重量和成本控制的设计需求[2]，国内外学者提出将低比重且价格低廉的铝合金与钛合金组成复合结构应用到产品中，例如在飞机机舱散热片、机翼蜂窝夹层、座位导轨和高速列车车厢等[3]。在这样的前提下，Ti/Al异种材料的焊接问题亟需被解决。

而在实际工程中，搭接接头也是一种常见的接头形式，因此Ti/Al异种材料搭接焊的研究也非常必要。Ti/Al的传统熔化焊过程中，其接头内部会因母材熔化而产生大量的脆性金属间化合物（Intermetallic Compound, IMC），故而Ti/Al的传统融化焊已逐渐被淘汰。目前被应用于Ti/Al搭接接头的焊接方法主要分为钎焊、熔钎焊和固相焊三个大类。本文对国内外Ti/Al异种材料搭接焊的研究现状进行了较为详细的综述，为学者及工程师们提供了更为简明实用的参考，同时对于Ti/Al搭接接头的工程推广起到了一定的积极意义。

2 Ti/Al钎焊搭接的研究现状

钎焊是现代工业中技术比较成熟的一种焊接技术，由于其焊接温度往往低于母材熔点，进而可以减少金属间化合物的产生，所以其对于异种材料的焊接具有一定的优势。目前对Ti/Al钎焊搭接的研究主要分为钎料中添加元素[4,5]和添加中间层[6]两种。日本学者Takemoto等人[4]早在1998年就进行了Ti/Al钎焊搭接的研究，得出了铝基钎料中添加Si元素可以有效减小IMC层厚度的结论。中国台湾学者Chang[5]等人在6061铝合金和TC4钛合金钎焊搭接中使用了添加混合稀土元素的钎料。焊后发现，添加0.1wt.%稀土元素接头的拉剪强度比未添加接头高出一倍。东北石油大学学者马志鹏等人[6]在用Zn-Al钎料对TC4钛合金和2A12铝合金的钎焊搭接中，在搭接界面添加了纯铝中间层，并得到了成分仅为TiAl3的IMC层，且强度达到了201MPa。上述研究通过工艺的改进提升了接头性能，但还远达到工程应用的要求。此外，钎焊工艺难以焊接结构复杂或大尺寸工件的缺点也限制了其应用。

3 Ti/Al熔-钎焊搭接的研究现状

熔钎焊是一种在钎焊基础上衍生出的焊接技术，常用来焊接熔点具有一定差异的异种材料。Ti/Al搭接接头的熔钎焊原理是熔点较低的母材以及钎料产生液相，熔融的低熔点材料在高熔点材料表面润湿、铺展，从而实现焊接。目前用于Ti/Al异种材料搭接的主要分为电弧熔钎焊和激光熔钎焊两种。

Ti/Al搭接接头的电弧熔钎焊，是将重当钎料的填充焊丝及焊缝区域的铝合金母材融化，其后熔融状态的混合液态铝在钛合金母材表面铺展润湿，最终完成钎焊连接。重庆大学学者Wang等人[7]用TIG钎焊技术对5052铝合金和TC4钛合金进行了搭接试验。焊接过程中在焊缝区域的两种母材之前添加了锌箔片，并证明了锌箔片的添加可以改善液态钎料的铺展能力，接头的拉剪强度也达到了一个铝合金母材的80%。由于Ti/Al焊接的电弧熔钎焊装置廉价且技术可借鉴传统电弧焊，故其在工程应用中具有一定的发展潜力[8]。

与电弧熔钎焊单一的接头形式不同，激光熔钎焊可以焊接铝上和钛上两种形式Ti/Al搭接接头。其中，铝上接头的原理与电弧熔钎焊的原理类似，区别是其热源改变为激光产生并可以实现无钎料焊接。法国学者Peyre等人[9]用5754铝合金和T40钛合金研究了铝上结构的激光熔钎焊搭接接头，并在特定工艺范围内得到了稳定力学性能，且断裂在界面处的TiAl3层。钛上接头的原理是激光作用在作为上板的钛合金表面，然后热量通过上板传导至与其接触的铝合金，靠近界面的铝合金达到熔融状态，并在外置压力的作用下，在钛合金下表面铺展润湿，实现钎焊连接。德国学者Wagner等人[10]在2001年首先使用激光熔钎焊对钛上铝下搭接接头进行了焊接，试验材料为TC4钛合金和Al-0.4Mg-1.2Si铝合金。结果显示，在一定的工艺参数下，接头界面处产生了稳定的IMC层，拉剪强度达到了220MPa。激光熔纤焊的优点在于热输入的稳定性以及精准性，这可以更准确的控制IMC的产生，进而稳定提高接头的强度。但是，激光设备高昂的造价及后期维护成本，使得其工程推广收到了一定的限制。

4 Ti/Al固相焊搭接的研究现状

固相焊的焊接温度在通常情况下低于母材的熔点，这可以避免异种材料焊接中很多材料熔化带来的缺陷，特别是对于Ti、Al这两种熔点相差较大的材料。目前应用于Ti/Al异种材料搭接的固相焊主要为扩散焊、爆炸焊和搅拌摩擦焊等。

扩散焊是一种传统的固相焊接方法，适用于管材和板材的焊接。目前对于Ti/Al搭接接头扩散焊的研究主要分为无中间层[11]、母材表面镀层[13]以及添加中间层[14]三种。清华大学学者姚为等人[11]在无中间层的情况下对TA2纯钛和L4工业纯铝进行了扩散焊接，得到了IMC层中仅含有TiAl3的接头，且可强度超过L4工业纯铝母材。山东大学学者李亚江等人[12]采用了钛表面渗铝的方法实现了对TA2工业纯钛和L4工业纯铝的扩散连接。结果显示，钛母材上的过渡区和渗铝层生成了TiAl和TiAl3两种IMC。加拿大学者AlHazaa等人[13]用22μm的Cu片作为中间层对TC4钛合金和7075铝合金进行了扩散焊接，接头内部的Cu中间层在加热时间30min时消失，呈现一个较大的扩散区。目前Ti/Al搭接接头的扩散焊还处于机理研究的阶段，距离工程应用还有很长一段距离。另外，扩散焊技术本身的自动化程度较低也是限制其发展的一个重要因素。

爆炸焊是一种特殊的固相焊接方法，通常被用于制备金属复合板。目前对于Ti/Al爆炸焊搭接的研究分为制备多层Ti/Al复合板[15]和钛上铝下结构的Ti/Al搭接[16]。制备多层Ti/Al复合板通常要在最上层放置钢制驱动板（driven plate），并在驱动板上放置炸药。俄罗斯学者Lazurenko等人[15]在2016年通过爆炸焊制备了40层的Ti/Al复合板，焊后通过加压热处理，Ti/Al界面生成了稳定的TiAl3层。钛上铝下结构的Ti/Al搭接则是将钛合金作为覆板，并将炸药放置在其上。波兰学者Fronczek等人[16]用爆炸焊对Ti Gr.2钛合金和1050铝合金进行搭接试验，在接头界面发现了TiAl3、TiAl2、TiAl和Ti3Al四种IMC。后通过退火处理，界面产生了一层连续的TiAl3层。目前，爆炸焊制备Ti/Al复合板的技术已经非常成熟，也已应用到实际工程中。而在Ti/Al的爆炸焊搭接中，巨大冲击力会导致接头变形严重，且焊后必须要进行的热处理影响了生产效率。

搅拌摩擦焊是一种新型固相焊技术，其不仅具有常规固相焊的一系列优势，还具有自动化程度高、无污染等优点。目前对于Ti/Al搅拌摩擦焊搭接研究，主要是针对铝上钛下结构的焊接。日本学者Chen等人[17]对4mm厚的ADC12铸造铝合金和2mm厚的纯钛进行搅拌摩擦焊搭接，采用针长3.9mm的搅拌头。焊后，在接头界面发现了TiAl3新相，其拉剪强度也达到铝合金母材的62%。西北工业大学学者Wei等人[18]采用一种带有特殊搅拌针（cutting pin）的搅拌头对3mm厚的1060纯铝和TC4钛合金进行了搅拌摩擦焊搭接，搅拌针长度也仅为3.2mm，最终得到了拉剪强度大于1060纯铝母材的接头。新西兰学者Chen等人尝试了对 6mm厚6060铝合金和2.5mm厚TC4钛合金的搅拌摩擦焊搭接，并采用针长6mm的搅拌头，在界面处形成了一层极薄（小于250nm）且强度极高的IMC层。采用极小的下板扎入量是国内外学者最常用的方案，并以此获得了一定的成果。尽管如此，关于Ti/Al搅拌摩擦焊搭接的研究还是较少，钛上铝下结构的研究也还未涉及。

5 展望

随着我国工业的发展，Ti/Al异种材料搭接接头在航空航天、交通运输等领域的应用将会越来越广泛。目前对于Ti/Al搭接焊的主要研究是通过工艺或装置的改进控制接头内部IMC的生成，进而达到稳定提升接头性能的目的。虽然目前大部分Ti/Al搭接焊技术还远达不到工程应用的标准，但是文中所述的研究都提供了明显的方向性，也显示了其应用的前景。在不久的将来，Ti/Al搭接焊一定能在工程应用发挥重要作用。

[1]付艳艳.et al. "航空用钛合金的研究与应用进展[J]." 稀有金属,2006(06):30.

[2]Immarigeon.et al. "Lightweight materials for aircraft applications[J]." Mater. Charact,1995(35):1.

[3]陈玉华."铝/钛异种金属焊接技术研究进展[J]."航空制造技术,2012(21):417.

[4]Takemoto,T,et al."Intermetallic compounds…[J]."Journal of materials science,1988(04):23.

[5]Chang,S.Y.,et al."Brazing of…" Journal of Mater[J].Proc.Tech,2012(01):212.

[6]马志鹏,et al."纯铝中间层的 Al/Ti 钎焊接头…….[J]".兵器材料科学与工程,2013(05):36.

[7]Wang,Haodong,et al."TIG welding-brazing…[J]".Journal of Materials Proc.Tech,2018:251.

[8]Xu,Chuan,et al."Effect of high energy…[J]".Journal of Alloys and Compounds,2017:695.

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[10]Wagner,F.et al."Characterization and properties…[J]"Proc.ICALEO’(CD-ROM),2001(01).

[11]姚为,et al."Ti/Al 扩散焊的接头组织结构及……[J]".稀有金属材料与工程,2007(04):36.

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[17]Wei,Yanni,et al."Joining aluminum to titanium alloy by…[J]".Mater.Charact,2012:71.

[18]Chen,Z.W,et al."Microstructures in interface…[J]".Mate.Sci.and Eng,2015(A):634.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.004