结合钎焊和氩弧焊方法对钛合金Nb不锈钢接头的连接

第28卷 第2期

2008年4月

航 空 材 料 学 报

J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS

V o l 28,N o 2 A pr il 2008

结合钎焊和氩弧焊方法对钛合金/Nb/不锈钢接头的连接

叶 雷, 熊华平, 李晓红, 毛 唯, 程耀永

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:利用A gCu 1.8T i 和A gCu 4.4T i 两种钎料对N b 与0C r17N i 4Cu4N b 不锈钢进行润湿性研究,并钎焊N b 与0Cr17N i 4Cu4N b 接头。A gCu 1 8T i 在N b 与0Cr17N i4Cu4N b 上的润湿角均小于A gCu 4 4T i 。分析接头组织发现,A gCu 4 4T i 钎料接头中在靠近不锈钢侧存在约50 m 宽的富T i 层,而AgCu 1 8T i 钎料接头中未发现该富T i 层。利用氩弧焊将TC4与Nb 预先焊好后再用两种钎料钎焊N b 和不锈钢,测定T C4/N b /0C r17N i 4Cu4N b 接头的室温拉伸强度。数据显示,A gCu 1 8T i 钎料接头的室温拉伸强度平均值达到222 2M P a ,而A gCu 4 4T i 钎料接头强度仅有133 8M Pa ,所有接头均断于Nb 与0C r17N i 4Cu4N b 界面。关键词:钎焊;A gCuT ;i 钛合金;不锈钢中图分类号:TG454

文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2008)02 0019 05

收稿日期:2007 09 24;修订日期:2008 01 04

作者简介:叶雷(1981 ),硕士研究生,工程师,(E m ail)ye lei32@163 com 。

钛合金由于比强度高、耐蚀性能好等优异性能,已在航空、航天、核工业、石油、化工等领域得到广泛应用。随着钛合金应用的日益增多,钛与其他金属的焊接,尤其是钛合金与不锈钢的连接已经成为需要解决的基本问题。

由于钛合金与不锈钢在熔点、线膨胀系数、热导率和比热容等方面的差异[1],

以及二者之间易生成

T i F e ,T i 2Fe 和T i C 等脆性相[2]

,焊接时对接头强度、塑性、韧性有很大的影响。目前,国内外研究已见报道有扩散焊、爆炸焊、钨极氩弧焊、钎焊等焊接方法。扩散焊研究中采用了V +Cu [3]

、N i 箔[4]

、纳米镀N i 层[5]

等中间层形式,但接头强度与耐蚀性等综合性能还有待进一步改善,而且存在对实际被焊件的结构适应性不强等问题。爆炸焊[6]对连接大面积复合板非常有效,但存在着变形量大和组织性能不均匀的问题。采用不填丝方法

[7]

进行钛 钢的氩弧焊,

接头不可避免出现钛 铁脆性相而导致接头强度下降。对二者的钎焊研究主要为使用Ag 基钎料如

AgA l [8],AgCuN i L i [9]和AgCuT i [10]

等,但采用的接头形式全部为钛合金与不锈钢直接钎焊,不可避免会使T i 与Fe 元素相互接触反应。本研究采用Nb 作为中间层,通过Nb 阻隔钛合金与不锈钢连接时的

直接接触,并利用Nb 的高塑性以缓释连接过程中由于两母材物理性能的差异而产生的应力。由于T i 与Nb 两者可以无限互溶,已通过试验证明,利用氩弧焊可以很好地解决两者之间的连接问题。本研究中钛合金与Nb 的连接在充氩箱中利用氩弧焊进行,不锈钢与Nb 的连接采用两种T i 含量的AgCuT i 钎料进行钎焊。对两种AgCuT i 钎料在Nb 和不锈钢上的润湿性进行研究,同时分析钎焊接头的组织并测试接头室温拉伸强度,为以后钛合金与不锈钢连接的进一步研究提供技术基础。

1 试验材料和方法

试验用中间层为1mm 厚的Nb 板,母材分别为TC4钛合金和0C r 17N i4Cu4Nb(简称17 4)不锈钢(均为2mm 厚),其主要成分(w %t )为,TC4:T i (5 5~6 8)A l (3 5~4 5)V;17 4:Fe (15 0~17 5)C r (3 0~5 0)N i (3 0~5 0)Cu (0 15~0 45)Nb 。两种AgCuT i 钎料的成分分别为Ag 35 2Cu 1 8T i 和A g 27 5Cu 4 4T i(w %t ),为箔状形式钎料,厚度约为50 m 。钎焊前TC4和N b 分别用一定比例的HNO 3+H F +H 2O 和HNO 3+H 2SO 4+H F+H 2O 酸洗后再用丙酮清洗,不锈钢待焊面磨平后超声波丙酮清洗。润湿试验为分别取50mg 的钎料箔剪成约2 5mm 2 5mm 的小片叠加后,用储能点焊机点焊固定在清洗后的Nb 片和不锈钢片

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第28卷

上,放入真空炉中加热至910 保温15m i n 。TC4与Nb 中间层在充氩箱中利用T i 焊丝填充进行氩弧焊连接,TC4开45 坡口。将焊好的TC4/Nb 接头与不锈钢装配,Nb 与不锈钢之间预置两层钎料在真空炉中进行钎焊,钎焊规范为910 保温15m i n ,整个过

程真空度不低于1 10-2

Pa 。具体接头形式如图1。利用光学显微镜测定两种钎料在Nb 和不锈钢上的润湿角,利用FE I QUANTA 600扫描电镜(SE M )和I N C A 能谱仪(EDS)分析接头的微观组织和相成分,并测定TC4/N b /不

锈钢接头的室温拉伸强度。

图1 TC4/N b 在充氩箱中熔焊(a)和TC4+Nb /17 4在真空炉中钎焊(b)的接头形式F ig 1 Jo i nt shape o f TC4/N b i n A r filli ng chamber (a)and T C4+N b /17 4i n vacuu m f urnace (b)

2 试验结果与分析

2 1 AgC uTi 钎料在Nb 与不锈钢上的润湿性 图2为两种T i 含量的A gCuT i 钎料在Nb 与不

锈钢的润湿情况照片。从图中可以看出,高T i 钎料在Nb 和不锈钢上的润湿性都比较差,在不锈钢表面钎料基本凝成球状;而低T i 钎料均有一定的铺展。用光学显微镜测定两种钎料的润湿角,结果示于表1。 若钎料和母材在液态和固态均不相互作用,它们之间的润湿性就会很差;

若钎料与母材能相互溶

图2 两种钎料在N b 和不锈钢上的润湿情况F i g 2 M orpho log i es o f t w o ki nds of brazi ng fillers on

N b and 17 4w it h t he sessile drop m ethod

表1 两种钎料在N b 和不锈钢上的润湿角

T ab l e 1 Contact ang les o f t wo k i nds o f bra zi ng fill ers on N b and 17 4w it h t he sessile drop m ethod

N b

17 4

A gCu 4.4T i 98 ,104 average :101 146 ,130 ave rage :138 A gCu 1.8T i

43 ,45

average :44

53 ,61

average :57

解或形成化合物,钎料就能很好地润湿母材,并且钎料中能与母材互溶的元素对润湿性的改善效果要好于与母材形成化合物的元素,主要原因是前者能显著减小液态钎料与固态母材的界面张力,而后者减小界面张力的能力有限。在钎料与不锈钢界面上,Ag 和Fe 在固、液态下均不相互作用,液态的Ag 与固态的Fe 之间的表面张力很大(1125 时大于3 40N m

-1

)

[11]

,润湿性较差,但高温下液态的Cu

能溶解一定量的Fe ,二者之间的表面张力在1100

时为0 44N m -1

,远小于前者,对应于本研究中钎

焊温度910 ,也应有如上的表面张力差异。所以,在Ag 中加入Cu 可以大大改善钎料的润湿性。T i

与Fe 之间形成比较复杂的化合物相,其对润湿性的改善效果要小于Cu 。虽然AgCu 4 4T i 钎料中T i 含量比A g Cu 1 8T i 中T i 含量高,但后者Cu 含量远高于前者,相对于Cu 对钎料润湿性的影响,T i 的影响小得多。对于两种钎料和Nb 的反应,同样有上述的规律。

由此可以看出,低T i 的钎料中含有较多的Cu ,其改善润湿性的能力比T i 强。此外,由于T i 含量的

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