TC4钛合金真空钎焊接头显微组织实验及结论

TC4合金中钛的含量很高，钛是活性很强的金属材料，在高温下容易与N2、H2、O2反应，并同其它许多金属反应生成脆性金属间化合物，在600℃氧与钛发生强烈反应，800℃氧化膜开始向钛中溶解扩散，氮与钛在高温下则形成脆硬的氮化钛，对钛的塑性影响较大，氢的存在则由于γ（TiH2）相析出，也同样使其塑性、韧性降低。采用真空钎焊选择合适的钎料，可以避免高温情况下，氧、氮、氢各种气体元素对TC4合金钎缝性能的影响，从而提高接头的力学性能[1]。在钛及钛合金的焊接中，钎焊适于焊接受载不大或在常温下工作的接头，对于精密的、微型复杂的及多钎缝的焊件尤其适用。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。由此，了解TC4钛合金真空钎焊接头微观组织结构及元素分布情况是十分必要的。

1、试验材料及方法

1.1 试验材料 试验母材采用厚度为1mm的TC4钛合学成分见表1。

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，钎料的焊接温度必须低于TC4的相变温度，否则将引起母材β晶粒长大，从而影响材料的性能。试验用钎料采用 Ag基Ag-Cu系钎料Ag-Cu-Ti，其熔化温度为779～820℃。

1.2 试验方法 目前的钎焊技术和钎料所形成的焊件的性能与其原始基体金属的性能水平相差不多。钛合金的本质决定了其钎焊的主要温度和时间局限性。总的来说，使用焊料并在钎焊温度低于β相转变温度时可获得优良机械性能的钛钎焊部件。

接头形式：本试验所用的材料为1mm的TC4板材；搭接接头。接头形式见图1。薄件为装配方便，搭边长度L=（4～5）δ；δ——待焊工件厚度。由此得L=4δ=4mm。

接头的装配间隙大小是影响钎焊焊缝致密性和接头强度的关键因素之一。熔态钎料在钎缝中作直线流动，钎缝的毛细能力起很大作用，毛细能力又与钎缝的类型和钎缝间隙的大小有关系。一般说来，钎缝间隙小比间隙大的钎缝的直线流动性更好，但也不是越小越好，钎缝间隙的最佳值在0.01～0.2mm之间，具体数值视母材的种类而定。在不影响钎料填充的前提下，钎焊间隙越小越好[6]。此次试验银基钎料，钛合金焊接装配间隙取为0.05mm。

在钎焊温度下，一方面要使钎料熔化，在毛细管作用下填满接头间隙，并与基体金属进行合金化作用；另一方面使基体材料完成热处理程序中的某一步骤（固溶或淬火）。真空钎焊设备为“真空扩散焊机-6”；其最高加热温度为1650℃，压力为15ton，真空度为1×10-5torr，钎焊工艺参数如表2。

焊接完成后，对钎焊试样进行拉伸试验；并对接头进行显微金相分析，同时用扫描电镜对钎焊界面的元素分布及组织结构进行分析。

2、试验结果及分析

2.1 拉伸试验分析 在“CMT53.5微机控制电子万能试验机”上拉伸实验，四组钎接试样均从搭接接头（焊缝）边缘并靠近接头处断裂，如图2，这说明焊接接头处所能承受的最大拉力大于母材，按照此拉力核算，搭接接头处抗剪强度应在200MPa以上，由此可知，钎焊焊件的接头处总体的力学性能要优于母材，焊件总的力学性能较好，焊接情况优良。 　　

2.2 金相分析 对钎焊试件外观检查发现其变形很小，装配较好，焊接情况良好。钎焊接头的金相试样经Kroll 侵蚀剂（2mlHF+5mlHNO3+93mlH2O）进行侵蚀后，用XJP-2B型台式金相显微镜对钎焊接头进行金相观察，图3为钎焊焊缝100倍照片，从照片中可以看出，焊缝较均匀，没有出现污染变质等不良现象。

钎焊比较适合对钛合金进行焊接，就是由于钎料易于与钛合金基体合金化，但是这种合金化容易使焊缝变的硬而脆，使材料塑性和强度降低。但是由图4不难看出，基体为细小α+β双相等轴晶体，钎焊缝中心浅灰色的为共晶的钎料组织，钎焊缝两侧是钎料向母材扩散形成的扩散层，在与基体相临的部位由于析出了弥散相，故易受腐蚀而呈深色。

从图中可以看出在钎焊焊缝处的钎料均以笋状的方式生长，较细小，这是由于有细小针状Cu的固溶体析出；在焊缝中间处可能出现了Ag-Cu共晶；但没有发现明显的金属化合物，从而没有因为出现金属化合物而使接头处的塑性、韧性降低。

2.3 扫描电镜分析 为了进一步对真空钎焊接头处的组织结构及元素分布情况进行研究，对真空钎焊接头用“CamScan MX2600FE型热场发射扫描电子显微镜”进行扫描，并对部分区域及点进行能谱分析。由图5可知元素分布具有较强的规律，母材和钎缝之间元素进行了扩散；如图6，笋状区域即为钎料生长扩散区域；但由于焊接保温时间较短（仅10min），钎料和母材之间的元素扩散不完全；结合图5和图6可以看出，在钎缝及钎料笋状生长扩散区域处Ag、Cu的谱线均成锯齿状，且Ag的峰值对应Cu的低谷，由此可知此区域形成了典型的Ag-Cu共晶组织，其灰黑色组织为Cu基固溶体，白色相为Ag基固溶体。图7是在钎料生长扩散区域内的笋状钎料上所打的能谱，由（b）可以看出，Cu的衍射强度较高，在此区域中Cu形成的固溶体成细小的笋状，因为在这些元素中Ag的原子序数最高，所以这个区域中可能有Cu基固溶体中析出的富Ag相，这需经过多次实验才能验证。

3、结论

①TC4合金板真空钎焊接头处所能承受的最大拉力大于基体，搭接接头处抗剪强度在200MPa以上，焊件接头处总体的力学性能优于母材，焊件总的力学性能较好。

②钎缝与基体相临的部位析出了弥散相，易受腐蚀；在钎焊焊缝处有Cu的固溶体析出，均以笋状的方式生长并较细小，但没有发现明显的金属化合物。

③焊接接头中的主要元素Ti、Al、V、Ag、Cu呈规律性分布，钎缝及扩散区域得到Ag基固溶体及以细小笋状的方式生长的Cu基固溶体，是为Ag-Cu共晶组织。

④钎料生长扩散区域内的笋状钎料上的Cu基固溶体中可能析出富Ag相，这需后续多次实验才能验证。

相关链接