靜永娟，蘇娣瑤，高興強，岳喜山

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024；2.航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024）

金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有高比強度、耐高溫、隔熱、隔音和耐蝕等優(yōu)點，在國內(nèi)外航空、航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]，是一種極具應(yīng)用潛力的新型結(jié)構(gòu)，如鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于飛機機身、機翼、發(fā)動機短艙排氣噴嘴等部位。鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)可采用釬焊技術(shù)進行制造。研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金釬焊構(gòu)件失效的主要因素包括以下幾方面：（1）釬焊工藝導(dǎo)致鈦合金的顯微組織發(fā)生改變，嚴(yán)重降低基體材料的機械性能；（2）在釬焊過程中，母材和釬料合金會發(fā)生反應(yīng)生成化合物，成為焊接結(jié)構(gòu)失效的隱患[4-5]；（3）釬焊界面的微觀組織和基體材料組織的剛性不匹配，構(gòu)件的釬焊部分局部變形不協(xié)調(diào)，成為焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

隨著鈦合金釬焊技術(shù)水平的提高，國內(nèi)近幾年對鈦合金釬焊結(jié)構(gòu)的了解越來越深入[3,6-8]，同時也開展了對鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊制造技術(shù)的研究[4-5,9-11]，包括同質(zhì)或異質(zhì)材料蜂窩結(jié)構(gòu)的釬焊工藝研究[4,11]、界面組織演變分析[4]或界面組織結(jié)構(gòu)分析[10]等。研究表明，與TiNi3（Cu，Zr）化合物相比，Ti（Ni，Zr，Cu）和Ti固溶體晶胞不僅具有較高的強度，還具有相對良好的塑性，而TiNi3（Cu，Zr）化合物相的連續(xù)分布對釬焊界面的強度和塑性不利[10]。進一步分析發(fā)現(xiàn)，TC1鈦合金在930℃、保溫15min和一定釬料添加量條件下，釬焊蜂窩結(jié)構(gòu)的界面會出現(xiàn)TiNi3（Cu，Zr）化合物相，當(dāng)其尺寸細小、分布彌散時不會影響界面強度水平，相應(yīng)鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊試件的拉脫強度平均值較高，可達17MPa[4]。

釬焊過程對鈦合金基體微觀組織和基本性能的影響是制定合理釬焊工藝的關(guān)鍵因素之一，尤其是對特殊結(jié)構(gòu)形式的鈦合金零件。本研究針對鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)，分析釬焊工藝參數(shù)對材料微觀組織、相變點和剛度及屈服強度的影響，獲得合理的釬焊工藝，以期為鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的釬焊制造技術(shù)提供理論依據(jù)和參考。

試驗材料及方法

試驗材料為熱處理狀態(tài)TC4板材和TC1箔材，厚度分別為0.6mm和0.05mm。采用釬料為鈦基釬料，呈箔帶狀，成分為Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni（重量百分比），厚度為0.05mm。通過金相顯微鏡和掃描電鏡觀察釬焊界面組織及界面兩側(cè)的基體材料組織。

圖1為釬焊金相試樣示意圖，釬焊工藝見表1。試驗參照ASTM E8/E8M-11Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials。采用拉伸試驗機測試材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得出其基本力學(xué)性能，指標(biāo)包括彈性模量、泊松比、屈服強度和極限強度。

試驗結(jié)果及分析

1 釬焊溫度對TC1箔材微觀組織和相變點的影響

圖1 釬焊金相試樣示意圖Fig.1 Schematic of metallography specimens

表1 釬焊工藝

不同釬焊溫度下釬焊界面組織的典型形貌如圖2所示。在保溫時間為30min、釬料添加量不變的條件下，隨著釬焊溫度由865℃向905℃逐漸升高，首先，TC1箔帶原始雙態(tài)組織形貌逐漸消失，并由雙態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧瞀孪嘟M織，見圖2（a）～（c），且β相晶粒的生長方向與釬焊界面幾乎垂直；其次，釬焊界面寬度逐漸增大，且隨著釬焊溫度提高，β相晶粒明顯粗化，如圖2（d）～（e）所示。

TC1鈦合金為一種低強度、高塑性的近α型鈦合金，在平衡狀態(tài)下由α相和少量β相組成。TC1鈦合金含有2% α穩(wěn)定元素Al和1.5%β穩(wěn)定元素Mn，而鈦合金中β穩(wěn)定元素增加會導(dǎo)致其α+β→β轉(zhuǎn)變的相變點降低。根據(jù)航空材料手冊，TC1鈦合金發(fā)生α+β→β轉(zhuǎn)變的溫度為920～930℃。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬焊溫度為865℃和875℃時，TC1箔帶呈現(xiàn)雙態(tài)組織特征，見圖2（a）和（b），但在 875℃下 TC1箔帶已有部分呈現(xiàn)針狀β組織特征，此時雙態(tài)組織特征部位的寬度僅為10μm左右（初始厚度為0.05mm，即50μm），見圖 2（b）。分析認(rèn)為，這歸因于釬料元素中β相穩(wěn)定元素由釬料合金向TC1箔材擴散，導(dǎo)致材料β相轉(zhuǎn)變溫度下降。

釬料合金為Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni四元合金，Zr屬于典型的β穩(wěn)定元素，且釬料中Zr元素的含量較高，導(dǎo)致界面兩側(cè)母材中Zr元素含量升高，如表2所示，位置1、2分別對應(yīng)圖2（b）中位置。因此，在釬焊過程中，TC1鈦合金相變點會降低。

通常，合金元素的擴散能力隨著溫度的升高而提高，在較高的釬焊溫度下，釬料元素（如Zr）更易于擴散到界面兩側(cè)的母材中，因此，當(dāng)釬焊溫度在885～905℃范圍時，TC1箔帶組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w組織，見圖2（c）～（e）。

圖2 釬焊界面金相組織Fig.2 Metallography microstructure of the brazed joints

當(dāng)鈦合金由雙態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)棣陆M織時，材料的強度會提高但塑性會降低，而當(dāng)其塑性降低時會不利于整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形能力，因此，根據(jù)試驗結(jié)果釬焊溫度不宜高于875℃。

2 釬焊工藝對TC4板材微觀組織和相變點的影響

在相變點以下溫度，隨著熱處理溫度升高，材料晶粒組織會長大、粗化，對其剛度、屈服強度等力學(xué)性能均產(chǎn)生不利影響。TC4鈦合金在室溫平衡狀態(tài)下由α和β相組成，β相含量為8%～10%，α+β→β轉(zhuǎn)變的相變點為980～1010℃。圖3為釬焊溫度為875℃時，不同保溫時間下TC4鈦合金微觀組織。本試驗采用的釬焊溫度屬于α+β相區(qū)的中低溫區(qū)，冷卻速度為爐冷，未見有馬氏體型α′相、次生α相等相生成。

釬焊溫度為875℃，隨著保溫時間（分別為 30min、60min、90min）延長，TC4鈦合金未發(fā)生相變，但晶粒尺寸逐漸長大，平均晶粒尺寸分別為9μm、11μm和12μm，β相體積分?jǐn)?shù)未見明顯變化。因此，該釬焊溫度下TC4鈦合金未發(fā)生相變。

采用相同釬焊工藝作為熱處理工藝，對TC4板材進行熱處理，對比熱處理前后板材屈服強度、泊松比和彈性模量的變化，測試結(jié)果列于表3。當(dāng)釬焊溫度為875℃、保溫時間不大于60min時，TC4鈦合金板材的剛度和屈服強度不低于原始材料的86%；隨著保溫時間延長，TC4板材的性能逐漸降低，直至保溫時間到90min，板材性能下降至原始性能的84%以下。因此，釬焊保溫時間不宜超過90min。為保證釬焊基體材料具有一定的力學(xué)性能可靠性，釬焊溫度不宜過高、保溫時間不宜過長。

表2 界面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的能譜分析結(jié)果 %

對于TC1鈦合金薄壁零件，30min及以上的保溫時間會導(dǎo)致基體發(fā)生組織退化，如文中出現(xiàn)的魏氏組織。因此，將零件在釬焊溫度以下略作停留以熱透零件，然后快速升至釬焊溫度進行釬焊，保溫時間建議不超過15min。

3 釬焊蜂窩結(jié)構(gòu)單元件的拉脫強度

圖3 釬焊后TC4鈦合金的微觀組織Fig.3 Microstructure of the brazed TC4 alloys

表3 TC4板材性能測試結(jié)果

釬焊鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)單元件見圖4。單元件的制造過程中，將上下面板與蜂窩芯體間裝配釬料，再將面板與拉頭之間裝配好釬料，最后將單元件放入真空釬焊爐進行釬焊。

單元件所用箔帶、板材的種類和規(guī)格，以及釬料種類和添加量均與釬焊金相試驗（圖1）一致，采用釬焊工藝為文中優(yōu)化結(jié)果，即釬焊溫度為865～875℃、保溫 30～60min。單元件失效于蜂窩芯體部位，目視可見芯體發(fā)生塑性變形，單元件平均抗拉強度可達12MPa。釬焊界面組織如圖5所示，界面未見焊接缺陷，界面組織連續(xù)，無化合物生成。

圖4 蜂窩結(jié)構(gòu)單元件Fig.4 Unit of the honeycomb structure

圖5 單元件的釬焊界面組織Fig.5 SEM of brazed interface for unit cell

結(jié)論

（1）釬料元素擴散會導(dǎo)致鈦合金相變點發(fā)生改變。在釬焊過程中，TC1鈦合金在875℃發(fā)生α+β→β相轉(zhuǎn)變，而TC4鈦合金在905℃未發(fā)生α+β→β相轉(zhuǎn)變；

（2）在釬焊溫度為875℃、保溫時間不大于60min條件下，TC4鈦合金板材的剛度和屈服強度不低于原始材料的86%；

（3）在試驗所采用材料規(guī)格下，TC4/TC1鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的釬焊工藝為 865～875℃、保溫 30～60min；

（4）TC4/TC1鈦合金蜂窩單元件釬焊芯體部位具有較好的塑性變形能力，單元件平均強度可達12MPa。

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