首都航天機械公司 李雪飛 鄒鶴飛 陳志凱 岳海金 高 晶 邢 斌 王 碩

鈦合金由于具有高比強度、耐蝕、耐溫和耐熱等優(yōu)點，在國內外航空、航天領域得到廣泛研究和應用。TA15鈦合金是前蘇聯(lián)研制的近α鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，屬于高鋁當量近α型合金[1]。TA15鈦合金在俄羅斯的飛機和發(fā)動機上得到大量應用，該合金兼有α型和(α+β)型鈦合金的優(yōu)點，具有良好的熱穩(wěn)定性，長時間工作溫度可達500℃。其工藝塑性接近于(α+β)型鈦合金，具有較好的加工性能，可以制成薄板、厚板、型材、鍛件和模鍛件等[2]。另外，TA15鈦合金具有良好的焊接性能和工藝塑性，其焊接結構件在航空、航天領域具有良好的應用前景。

擴散釬焊又稱瞬間液相擴散焊、過渡液相擴散焊，是一種精密的連接方法，特別適用于異種金屬材料、耐熱合金和新材料等的連接。其金屬學原理由Duvall D S[3]于1974年首次匯總采用相圖解釋。擴散釬焊兼?zhèn)鋽U散焊和釬焊的特點：焊接過程加壓、焊接過程有液相形成，并具有以下優(yōu)點：焊縫組織近于母材組織、接頭強度近于母材強度、焊縫高溫性能好、焊前表面質量要求較低、能實現(xiàn)精密連接。由于以上特點，擴散釬焊現(xiàn)已廣泛應用于航天、航空、核能等各個領域。

本研究以TA15鈦合金棒料為試驗材料，以鈦基非晶箔帶作為中間層，對TA15鈦合金擴散釬焊接頭進行了界面微觀組織研究，對擴散釬焊接頭的室溫和液氮低溫力學性能進行了分析。

1 試驗材料及方法

本試驗所用材料為TA15鈦合金圓棒，化學成分如表1所示。擴散釬焊試件規(guī)格為φ31 mm×30mm，試件待焊端面需保證光潔度，焊接前試件表面進行酸洗處理。擴散釬焊試棒端面按圖1（a）所示對齊裝配，按圖1（b）所示裝配到工裝夾具上進行加壓。TA15鈦合金擴散釬焊中間層選用鈦基釬料為Ti-Zr-Cu體系的Ti37.5Zr15Cu10Ni，釬料相關信息如表2所示，擴散釬焊工藝參數(shù)如表3所示。

釬焊后，將TA15合金擴散釬焊試件采用機械加工方式制成拉伸試樣，分別進行室溫和液氮低溫拉伸試驗，拉伸試件示意圖如圖2所示。本試驗擴散釬焊設備采用WZQH-30真空釬焊爐，采用掃描電鏡及能譜分析儀進行界面微觀組織、斷口形貌及成分分析。

表1 TA15鈦合金化學成分（質量分數(shù)）%

表2 鈦基釬料Type1510

表3 TA15鈦合金擴散釬焊工藝參數(shù)

圖1 TA15鈦合金擴散釬焊裝配圖Fig.1 TA15 alloy diffusion brazing assembly drawing

圖2 拉伸試件示意圖Fig.2 Diagram of tensile specimen

2 試驗結果及分析

2.1 界面微觀組織分析

圖3為TA15鈦合金擴散釬焊界面微觀組織形貌。從圖3中擴散釬焊接頭宏觀形貌可以看出，基體的原始界面已經全部弱化，在兩側TA15鈦合金之間形成了寬度約為120μm左右的焊縫區(qū)域，而焊接前基體之間預置的釬料厚度為30μm，可見擴散釬焊過程中釬料與TA15基體發(fā)生了快速的互擴散，這是因為釬料中含有與Ti元素產生強烈作用的Cu、Ni元素，釬焊時會快速擴散到基體金屬中與Ti元素形成擴散層[4]。

從焊縫微觀組織可以看出，擴散釬焊接頭輪廓清晰，焊縫與基體之間存在明顯的界面，基體保持原始的球狀α相，焊縫組織全部由針狀的組織組成，焊縫內部無殘留釬料剩余，說明釬料與基體之間發(fā)生了充分的互擴散并形成了有效的冶金結合。

2.2 接頭力學性能分析

圖3 TA15鈦合金擴散釬焊界面微觀組織形貌Fig.3 Microstructure of TA15 alloy diffusion brazing

將TA15鈦合金擴散釬焊試件按圖2所示尺寸加工成室溫和液氮低溫標準拉伸試樣，對焊接接頭進行了力學性能測試，測試結果如表4所示。從表4中可以看出，擴散釬焊接頭室溫和液氮低溫拉伸試驗都斷裂在焊縫部位，說明室溫和液氮低溫下釬焊接頭的強度低于基體材料。擴散釬焊接頭室溫拉伸強度最低為910MPa，TA15鈦合金基體的室溫拉伸強度為970MPa，可見擴散釬焊接頭室溫拉伸強度已達到基體材料拉伸強度的93.8%。擴散釬焊接頭在液氮低溫下的拉伸強度達到1100MPa以上，說明在液氮低溫狀態(tài)下釬焊接頭的強度有所提高。但是，液氮低溫下拉伸試樣的延伸率與室溫下相比較低，最低值僅為1.5%，不到室溫拉伸試樣延伸率最低值的50%，幾乎觀察不出試樣斷面收縮量，且室溫拉伸試樣延伸率遠低于基體，所以擴散釬焊接頭的塑性變形性能較差。通過對接頭力學性能進行分析得出，TA15鈦合金采用本文所用的釬料及工藝參數(shù)獲得的擴散釬焊接頭拉伸性能良好，能夠很好地滿足TA15鈦合金連接強度的技術指標。

表4 TA15鈦合金及擴散釬焊接頭力學性能

2.3 釬焊接頭的斷口分析

圖4為室溫、液氮低溫拉伸試樣斷裂后的宏觀照片，可以看出，擴散釬焊接頭在室溫和液氮低溫下的宏觀斷口沒有明顯的塑性變形，斷口比較平齊，室溫和液氮低溫都斷裂在釬焊縫。對比室溫和液氮低溫斷口微觀形貌（分別如圖5、6所示）發(fā)現(xiàn)，室溫斷口的微觀不平度要高于液氮低溫斷口的不平度，說明了室溫拉伸試樣的延伸率高于液氮低溫的延伸率。同時，在室溫和液氮低溫斷口均能觀察到大量條狀微觀組織，這與焊縫金相微觀組織呈針狀形貌對應，說明焊縫斷裂在焊縫處。根據拉伸試樣宏觀和微觀形貌分析可知，室溫和液氮低溫斷裂特征均為脆性斷裂。

圖4 釬焊接頭斷裂試樣Fig.4 Fracture photographs of brazing joint

圖5 室溫下拉伸斷口形貌Fig.5 Microstructure of fracture surface at room temperature

3 結論

（1）采用鈦基釬料Ti37.5Zr15Cu10Ni以及950℃/30min的擴散釬焊工藝參數(shù)能夠實現(xiàn)TA15鈦合金的擴散釬焊，接頭界面可形成有效的冶金結合。

（2）TA15鈦合金經過950℃/30min的擴散釬焊后，釬料與TA15基體發(fā)生了快速的互擴散，焊縫組織全部由針狀組織組成。

圖6 液氮溫度拉伸斷口形貌Fig.6 Microstructure of fracture surface at low temperature of liquid nitrogen

（3）TA15鈦合金擴散釬焊接頭室溫和液氮低溫狀態(tài)下均斷裂在焊縫，斷裂方式都為脆性斷裂，室溫拉伸強度可達到基體材料拉伸強度的93.8%，液氮低溫拉伸強度高于室溫狀態(tài)，擴散釬焊接頭力學性能滿足TA15鈦合金連接強度的技術指標。

[1] 王群驕. 有色金屬熱處理技術. 北京： 化學工業(yè)出版社,2008-01.

[2] 曹京霞, 方波, 黃旭, 等. 微觀組織對TA15鈦合金力學性能的影響. 稀有金屬, 2004, 28(2)： 362-364.

[3] Duvall D S, Owczarski W A, Paulonic D F. TLP bonding： a new method for joining heat resistant alloys. Welding Journal, 1974, 53(4)： 203-214.

[4] 孫曉亮, 馬光, 李銀娥, 等. 鈦基非晶態(tài)釬焊料發(fā)展評述.鈦工業(yè)進展, 2008, 25(6)： 11-14.