TC4钛合金真空钎焊工艺研究

宋一凡 徐枫 刘聪 韩晶北京中大华远认证中心

一、引言

TC4钛合金是α+β钛合金的代表，也是目前最常用到的钛合金种类。TC4钛合金具有强度大、刚度高、耐蚀性好以及高 温机械性能优良等优点，被广泛应用于航空、航天和其它工业领域。TC4钛合金的钎焊件主要用于宇航结构和航空发动机叶片、动力涡环组件、液压导管和导管配件、飞机蜂窝结构、叠层壁板、带肋蒙皮等。在一些复杂、薄壁精密结构的钛合金零件的制造工艺中，钎焊连接也因具有独特的优势而愈来愈受到重视，逐渐成为钎焊领域研究的热点之一。

本文选用Ti-Zr-Cu-Ni系钎料真空钎焊TC4钛合金，研究真空钎焊工艺。

二、试验方法

（一）试验母材和钎料

TC4钛合金化学成分见表1：

表1 TC4的化学成分

钎料为Ti-Zr-Cu-Ni系钎料，钎料为粉状，其化学成分和物理特性见表2：

表2 Ti-Zr-Cu-Ni系钎料的化学成分和物理特性

（二）试验方法

(1) 采用厚度为3mm的TC4板材，在真空钎焊炉内进行试样的钎焊，其具体尺寸见图1；

图1 试验件尺寸

(2) 施焊前，将TC4表面待焊处用60目砂纸研磨，去除表面杂质和氧化物，并用酒精清洗干净烘干备用；

(3) 向钎料粉末中加入酒精混合均匀成膏状，涂在被焊材料表面之间；

(4) 为了解决真空钎焊拉剪试样搭接面积和焊接间隙固定的问题，降低废件率，设计一种专用定位工装。该定位工装实物图如图2所示；

(5) 钎焊设备采用WZQH-30型多功能真空钎焊炉，真空度高于6×10-3 Pa；

(6) 将试样进行编号，采用不同的钎焊温度和保温时间进行钎焊；

(7) 采用超声波C扫描对试样进行焊缝内部质量的探伤检验；采用金相显微镜对接头界面进行观察分析；接头剪切试验在电子万能试验机上进行，加载速率为0.5mm/min，每个试验数据点测试2～3个样品，取其平均值。

图2 焊接定位工装实物图

三、试验结果与分析

（一）钎焊温度对于TC4钛合金钎焊接头的性能影响

定时试验：固定TC4钛合金真空钎焊的保温时间，变化钎焊温度。将试样依次编号1a～6a，其相应的钎焊工艺参数见表3：

表3 TC4钛合金真空钎焊工艺参数表

1.焊缝质量

图3是1a～6a号焊后试样的超声波C扫描图，由图3看出，试样在低钎焊温度下钎焊时，焊缝中出现数量多、面积大的穿透性缺陷；随钎焊温度的提高，穿透性缺陷的数量和面积逐渐下降；钎焊温度高于940℃时，穿透性缺陷基本消失。

在相对较低的钎焊温度下，熔态钎料流动性差，不能将粉状钎料的空隙填满，造成多数量、大面积穿透性缺陷出现；随钎焊温度的提高，熔态钎料能够较好的润湿母材，流动性增强，粉状钎料的空隙逐渐填满，穿透性缺陷随之减少。

图3 1a～6a（从左至右）号焊后试样超声波C扫描图

2.组织结构

图4是1a～6a号试样在300倍金相显微镜下的钎焊接头典型组织形貌。由图4可以看出，在900℃钎焊时，基体保留原有细小组织，钎缝接头轮廓清晰，与母材界限明显，接头处有细小针状结构组织出现，并往焊缝内生长；随钎焊温度的提高，基体中初生α相逐渐增加，钎缝宽度逐渐扩展，钎缝与基体界面逐渐模糊，针状结构组织数量逐渐增多、体积逐渐增大；当钎焊温度达到960℃以上时，针状结构组织几乎布满整个焊缝，钎缝和基体融合在一起。

图4 1a～6a（从左至右）号焊后试样组织形貌

3.力学性能分析

对1a～6a号焊后试样进行拉剪试验，其拉剪力学平均值列于表4：

表4 1a～6a号焊后试样拉剪力学平均值

图5为在30min保温时间，不同钎焊温度条件下，接头室温抗剪强度的变化图。

图5 焊后试样接头室温抗剪强度变化图

由表4和图5可以看出，当钎焊温度为900℃时，接头抗剪强度较低；提高钎焊温度至920℃，接头抗剪强度提高幅度较大；继续提高钎焊温度，接头抗剪强度呈较稳定状态。

在900℃钎焊时，熔态钎料流动性较差，钎缝和母材未能很好融合，存在较多的穿透性缺陷，造成接头抗剪强度较低；随钎焊温度逐渐提高，熔态钎料的流动性增强，钎缝和母材能较好地融合在一起，接头抗剪强度显著提高；由于钎焊温度均在1000℃以下，基体晶粒无明显粗化现象、接头中无明显的细小魏氏组织，接头抗剪强度能够维持在一个较稳定的状态。

4.试验结果

在定时试验中，确定960℃为最佳钎焊温度。在960℃钎焊温度下的试样：钎料完全融化，熔化态钎料流动性良好，母材被完全润湿；焊缝无贯穿性缺陷出现；钎缝和基体基本融合在一起，基体晶粒无明显粗化现象，接头中无明显的细小魏氏组织出现；接头抗剪强度为384.42MPa，维持在较好的力学性能水平。

（二）保温时间对于TC4钛合金钎焊接头的性能影响

定温试验：根据定时试验，固定TC4钛合金960℃的真空钎焊温度，变化保温时间。将试样依次编号1b～3b，其相应的钎焊工艺参数见表5：

表5 TC4钛合金真空钎焊工艺参数表

1.焊缝质量

图6 1b～3b（从左至右）号焊后试样超声波C扫描图

图6是1b～3b号焊后试样的超声波C扫描图。由图6看出，试样在960℃钎焊温度进行钎焊时，相较于其它试样，1b号试样穿透性缺陷面积较大，这与保温时间过短有关，熔态钎料无法在较短时间内将空隙填满便进入到降温阶段，其它试样均表现出较好的焊接质量。

2.组织结构

图7为1b-3b号试样在300倍金相显微镜下的钎焊接头典型组织形貌。由图7可以看出，当保温时间为5min时，基体保留原有细小组织，钎缝接头与母材界限明显，接头处开始有细小针状结构组织出现，但数量很少；当保温时间为10min时，基体中出现初生α相，钎缝与基体界面开始模糊，出现融合迹象，针状结构组织数量增多、体积增大，并向焊缝内生长；当保温时间为30min时，基体中初生α相继续增多，针状结构组织数量和体积继续增长，几乎布满整个焊缝。

图7 1b～3b（从左至右）号焊后试样组织形貌

3.力学性能分析

对1b～3b号焊后试样进行拉剪试验，其拉剪力学平均值列于表6：

表6 1b～3b号焊后试样拉剪力学平均值

图8为在960℃的钎焊温度，不同保温时间条件下，接头室温抗剪强度变化图。

图8 焊后试样接头室温抗剪强度变化图

由表6和图8可以看出，在相同钎焊温度条件下，随保温时间的提高，钎焊接头抗剪强度会呈现先升高再降低的变化规律。且在保温时间为10min时，接头抗剪强度达到最大值。

在过短的保温时间内，熔态钎料不能很好的润湿母材，无法充分与母材发生融合，之后便很快进入到降温阶段；而在过长时间的保温时间内，母材和焊缝内组织容易产生粗大相，导致母材和接头变脆；10min的保温时间，即能使钎料与母材发生很好的融合，又不至于使母材和接头过度粗化。

3.试验结果

在定温试验中，确定10min为最佳保温时间。在10min保温时间钎焊的试样：钎料完全融化、流动性良好；焊缝无贯穿性缺陷；钎缝和基体融合；接头抗剪强度为399.6MPa，达到最大值。

（三）研究小结

通过定时和定温试验，确定在真空钎焊TC4钛合金时，钎焊温度960℃和保温时间10min是其最佳配合工艺参数。执行此工艺参数，TC4钛合金真空钎焊焊接质量良好、母材和焊缝组织融合、抗剪强度最大。

四、结论

(1) 在适当的工艺条件下，采用Ti-13Zr-21Cu-9Ni钎料可实现TC4钛合金的连接。 (2) 复合钎焊工艺参数影响接头的力学性能，当钎焊温度为960℃、保温时间为10min时，接头室温抗剪强度最高为399.6 Mpa。