TC4钎焊

[转帖]TC4钛合金真空钎焊的研究

TC4钛合金真空钎焊的研究

吴欣康慧朱颖曲平

《航空制造技术》

［摘要］用钛基钎料钎焊的钛合金焊接接头强度较高，因而具有一定的应用前景。本课题采用Ti-Zr-Cu-Ni钎料并加入适当的合金元素，成功地应用于TC4合金的钎焊，钎缝成形良好，提高了焊接接头的性能。

[hide=2]钛合金具有比强度和比刚度高、耐腐蚀性好以及高温机械性能优良等优点，因而被广泛应用于航空、航天和其他工业领域。在一些钛合金复杂结构、薄壁精密结构的制造工艺中，由于钎焊连接具有独特的优势而愈来愈受到重视，对钛合金用钎料的研究也逐渐成为钎焊领域研究的热点之一。钛合金钎焊用钎料中常用的主要有银基钎料、铝基钎料和钛基钎料，银基钎料和铝基钎料虽有良好的润湿性和一定的机械性能，但焊缝与母材相比，其机械性能和化学性能差距较大；钛基钎料与钛合金的冶金相容性好，可以获得高强度的接头，是钎焊钛合金的优质钎料，但接头的脆性较大。基于此，本课题选用较为常用的Ti-Zr-Cu-Ni系钎料钎焊TC4，并在改善脆性方面开展了一些研究工作。由于在Ti-Zr-Cu-Ni系钎料中的Cu、Ni元素对钛合金来说属于活性的β稳定元素，能使钛合金的共析速度加快，在共析转变后会生成脆性的金属间化合物（γ），从而使接头性能降低，因此，在Ti-Zr-Cu-Ni系钎料中加入了能降低共析转变速度的惰性的β稳定元素Co，以改善钎料的性能，从而提高钎焊接头的性能。

1 试验材料和方法

1 1 试验母材

试验用母材为2mm厚的TC4板材。

1 2 试验用钎料

要得到组织和性能满意的钎焊接头，钎料必须能较好地润湿母材并能填满接头间隙。此外，TC4的相变温度为960℃左右，所以要求钎料的焊接温度必须低于此温度，否则将引起母材β晶粒长大，从而影响材料的性能。

本试验配置了两组钛基钎料，其中，1＃钎料为钎焊钛合金时常用的钛基钎料，2＃钎料以

Ti-Zr-Cu-Ni为基并加入了合金元素Co，其成分如表2所示。两组钎料均为真空熔炼而成。

1 3 试验方法

对所配置的钎料利用差热分析进行熔点测试。测试结果表明，1＃钎料熔点约为820℃，2＃钎料熔点约为910℃，因此确定焊接规范为1＃钎料880℃/15min，2＃钎料930℃/15min，焊接过程中真空度应优于2×10 -3 Pa。采用厚度为2mm的TC4板材（尺寸

30mm×10mm）在真空钎焊炉内进行搭接和对接试样的钎焊，焊前用不锈钢夹具对试样进行装配和固定。焊接完成后，对钎焊搭接试样进行抗剪试验；对接试样进行抗拉和冲击试验，并用

扫描电镜对两组不同钎料钎焊接头组织进行观察分析和对比。

2 试验结果及分析

2 1 钎焊接头的抗剪强度、抗拉强度和冲击韧性

试样剪切强度、抗拉强度和冲击韧性的测试结果。

以上测试结果显示，2＃钎料钎焊试样的抗剪强度、抗拉强度和冲击韧性值明显高于1＃钎料试样，证明2＃钎料性能优良。

2.2 钎焊接头组织对比

两组钎料的钎缝均为典型的片状α+β两相组织［1］，两组钎料中所含的Zr元素对于钛合金来说是中性元素，它不与Ti形成化合物，但能降低钎料的熔点［2］，钎料中的Cu、Ni、Co元素对于钛合金来说是β稳定元素，使钎缝区的β转变温度降低，在保温时就已使钎缝区进入β相，炉冷后得到片状的α+β组织。

在两组钎缝中Ti、Zr、Al、V含量的趋势都比较相似，Ti、Al、V以钎缝为中心含量从低到高, Zr 则从高到低，这是由于母材中的Ti、Al、V含量高于钎料中的含量而向钎料扩散，钎料中的Zr 则向母材扩散的结果。Co、Cu、Ni含量从钎缝正中起呈从高到低的趋势很明显，而钎料钎缝线扫描结果Cu、Ni的这个趋势则比较缓和，结合能谱分析结果，在Ⅰ区Cu、Ni元素的含量很高，说明1＃钎料中的Cu、Ni元素向母材的扩散量较大，从而导致接头性能降低。Ⅱ区Cu、Ni元素的含量远低于钎料中Cu、Ni的原始含量，这是由于2＃钎料中Co元素的加入有效地抑制了钎料中Cu、Ni元素向母材的扩散。可以看出，1＃钎料的钎缝与母材的结合处较为平整，而2＃钎料的钎缝与母材形成交错结合状，增加了接触面积，说明2＃钎料与母材的这种结合方式使得接头具有更好的性能。

3 结论

(1)本试验所配置的两组钛基钎料均适用于钎焊TC4钛合金；

(2)在Ti-Zr-Cu-Ni系钎料中加入Co元素所得接头的钎缝组织与常用的Ti-Zr-Cu-Ni钎料所得的钎缝组织形态相同，仍为片状的α+β组织；

(3)在Ti-Zr-Cu-Ni钎料中加入Co元素有助于抑制和减少Cu、Ni元素向母材的扩散，从而提高了接头性能。[/hide]