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        TC4鈦合金真空釬焊工藝研究

        2021-01-25 11:58:22宋一凡徐楓劉聰韓晶北京中大華遠(yuǎn)認(rèn)證中心
        消費(fèi)導(dǎo)刊 2021年3期
        關(guān)鍵詞:焊縫

        宋一凡 徐楓 劉聰 韓晶北京中大華遠(yuǎn)認(rèn)證中心

        一、引言

        TC4鈦合金是α+β鈦合金的代表,也是目前最常用到的鈦合金種類(lèi)。TC4鈦合金具有強(qiáng)度大、剛度高、耐蝕性好以及高 溫機(jī)械性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空、航天和其它工業(yè)領(lǐng)域。TC4鈦合金的釬焊件主要用于宇航結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、動(dòng)力渦環(huán)組件、液壓導(dǎo)管和導(dǎo)管配件、飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)、疊層壁板、帶肋蒙皮等。在一些復(fù)雜、薄壁精密結(jié)構(gòu)的鈦合金零件的制造工藝中,釬焊連接也因具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而愈來(lái)愈受到重視,逐漸成為釬焊領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

        本文選用Ti-Zr-Cu-Ni系釬料真空釬焊TC4鈦合金,研究真空釬焊工藝。

        二、試驗(yàn)方法

        (一)試驗(yàn)?zāi)覆暮外F料

        TC4鈦合金化學(xué)成分見(jiàn)表1:

        表1 TC4的化學(xué)成分

        釬料為T(mén)i-Zr-Cu-Ni系釬料,釬料為粉狀,其化學(xué)成分和物理特性見(jiàn)表2:

        表2 Ti-Zr-Cu-Ni系釬料的化學(xué)成分和物理特性

        (二)試驗(yàn)方法

        (1) 采用厚度為3mm的TC4板材,在真空釬焊爐內(nèi)進(jìn)行試樣的釬焊,其具體尺寸見(jiàn)圖1;

        圖1 試驗(yàn)件尺寸

        (2) 施焊前,將TC4表面待焊處用60目砂紙研磨,去除表面雜質(zhì)和氧化物,并用酒精清洗干凈烘干備用;

        (3) 向釬料粉末中加入酒精混合均勻成膏狀,涂在被焊材料表面之間;

        (4) 為了解決真空釬焊拉剪試樣搭接面積和焊接間隙固定的問(wèn)題,降低廢件率,設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用定位工裝。該定位工裝實(shí)物圖如圖2所示;

        (5) 釬焊設(shè)備采用WZQH-30型多功能真空釬焊爐,真空度高于6×10-3 Pa;

        (6) 將試樣進(jìn)行編號(hào),采用不同的釬焊溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行釬焊;

        (7) 采用超聲波C掃描對(duì)試樣進(jìn)行焊縫內(nèi)部質(zhì)量的探傷檢驗(yàn);采用金相顯微鏡對(duì)接頭界面進(jìn)行觀(guān)察分析;接頭剪切試驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載速率為0.5mm/min,每個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)試2~3個(gè)樣品,取其平均值。

        圖2 焊接定位工裝實(shí)物圖

        三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

        (一)釬焊溫度對(duì)于TC4鈦合金釬焊接頭的性能影響

        定時(shí)試驗(yàn):固定TC4鈦合金真空釬焊的保溫時(shí)間,變化釬焊溫度。將試樣依次編號(hào)1a~6a,其相應(yīng)的釬焊工藝參數(shù)見(jiàn)表3:

        表3 TC4鈦合金真空釬焊工藝參數(shù)表

        1.焊縫質(zhì)量

        圖3是1a~6a號(hào)焊后試樣的超聲波C掃描圖,由圖3看出,試樣在低釬焊溫度下釬焊時(shí),焊縫中出現(xiàn)數(shù)量多、面積大的穿透性缺陷;隨釬焊溫度的提高,穿透性缺陷的數(shù)量和面積逐漸下降;釬焊溫度高于940℃時(shí),穿透性缺陷基本消失。

        在相對(duì)較低的釬焊溫度下,熔態(tài)釬料流動(dòng)性差,不能將粉狀釬料的空隙填滿(mǎn),造成多數(shù)量、大面積穿透性缺陷出現(xiàn);隨釬焊溫度的提高,熔態(tài)釬料能夠較好的潤(rùn)濕母材,流動(dòng)性增強(qiáng),粉狀釬料的空隙逐漸填滿(mǎn),穿透性缺陷隨之減少。

        圖3 1a~6a(從左至右)號(hào)焊后試樣超聲波C掃描圖

        2.組織結(jié)構(gòu)

        圖4是1a~6a號(hào)試樣在300倍金相顯微鏡下的釬焊接頭典型組織形貌。由圖4可以看出,在900℃釬焊時(shí),基體保留原有細(xì)小組織,釬縫接頭輪廓清晰,與母材界限明顯,接頭處有細(xì)小針狀結(jié)構(gòu)組織出現(xiàn),并往焊縫內(nèi)生長(zhǎng);隨釬焊溫度的提高,基體中初生α相逐漸增加,釬縫寬度逐漸擴(kuò)展,釬縫與基體界面逐漸模糊,針狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)量逐漸增多、體積逐漸增大;當(dāng)釬焊溫度達(dá)到960℃以上時(shí),針狀結(jié)構(gòu)組織幾乎布滿(mǎn)整個(gè)焊縫,釬縫和基體融合在一起。

        圖4 1a~6a(從左至右)號(hào)焊后試樣組織形貌

        3.力學(xué)性能分析

        對(duì)1a~6a號(hào)焊后試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn),其拉剪力學(xué)平均值列于表4:

        表4 1a~6a號(hào)焊后試樣拉剪力學(xué)平均值

        圖5為在30min保溫時(shí)間,不同釬焊溫度條件下,接頭室溫抗剪強(qiáng)度的變化圖。

        圖5 焊后試樣接頭室溫抗剪強(qiáng)度變化圖

        由表4和圖5可以看出,當(dāng)釬焊溫度為900℃時(shí),接頭抗剪強(qiáng)度較低;提高釬焊溫度至920℃,接頭抗剪強(qiáng)度提高幅度較大;繼續(xù)提高釬焊溫度,接頭抗剪強(qiáng)度呈較穩(wěn)定狀態(tài)。

        在900℃釬焊時(shí),熔態(tài)釬料流動(dòng)性較差,釬縫和母材未能很好融合,存在較多的穿透性缺陷,造成接頭抗剪強(qiáng)度較低;隨釬焊溫度逐漸提高,熔態(tài)釬料的流動(dòng)性增強(qiáng),釬縫和母材能較好地融合在一起,接頭抗剪強(qiáng)度顯著提高;由于釬焊溫度均在1000℃以下,基體晶粒無(wú)明顯粗化現(xiàn)象、接頭中無(wú)明顯的細(xì)小魏氏組織,接頭抗剪強(qiáng)度能夠維持在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。

        4.試驗(yàn)結(jié)果

        在定時(shí)試驗(yàn)中,確定960℃為最佳釬焊溫度。在960℃釬焊溫度下的試樣:釬料完全融化,熔化態(tài)釬料流動(dòng)性良好,母材被完全潤(rùn)濕;焊縫無(wú)貫穿性缺陷出現(xiàn);釬縫和基體基本融合在一起,基體晶粒無(wú)明顯粗化現(xiàn)象,接頭中無(wú)明顯的細(xì)小魏氏組織出現(xiàn);接頭抗剪強(qiáng)度為384.42MPa,維持在較好的力學(xué)性能水平。

        (二)保溫時(shí)間對(duì)于TC4鈦合金釬焊接頭的性能影響

        定溫試驗(yàn):根據(jù)定時(shí)試驗(yàn),固定TC4鈦合金960℃的真空釬焊溫度,變化保溫時(shí)間。將試樣依次編號(hào)1b~3b,其相應(yīng)的釬焊工藝參數(shù)見(jiàn)表5:

        表5 TC4鈦合金真空釬焊工藝參數(shù)表

        1.焊縫質(zhì)量

        圖6 1b~3b(從左至右)號(hào)焊后試樣超聲波C掃描圖

        圖6是1b~3b號(hào)焊后試樣的超聲波C掃描圖。由圖6看出,試樣在960℃釬焊溫度進(jìn)行釬焊時(shí),相較于其它試樣,1b號(hào)試樣穿透性缺陷面積較大,這與保溫時(shí)間過(guò)短有關(guān),熔態(tài)釬料無(wú)法在較短時(shí)間內(nèi)將空隙填滿(mǎn)便進(jìn)入到降溫階段,其它試樣均表現(xiàn)出較好的焊接質(zhì)量。

        2.組織結(jié)構(gòu)

        圖7為1b-3b號(hào)試樣在300倍金相顯微鏡下的釬焊接頭典型組織形貌。由圖7可以看出,當(dāng)保溫時(shí)間為5min時(shí),基體保留原有細(xì)小組織,釬縫接頭與母材界限明顯,接頭處開(kāi)始有細(xì)小針狀結(jié)構(gòu)組織出現(xiàn),但數(shù)量很少;當(dāng)保溫時(shí)間為10min時(shí),基體中出現(xiàn)初生α相,釬縫與基體界面開(kāi)始模糊,出現(xiàn)融合跡象,針狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)量增多、體積增大,并向焊縫內(nèi)生長(zhǎng);當(dāng)保溫時(shí)間為30min時(shí),基體中初生α相繼續(xù)增多,針狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)量和體積繼續(xù)增長(zhǎng),幾乎布滿(mǎn)整個(gè)焊縫。

        圖7 1b~3b(從左至右)號(hào)焊后試樣組織形貌

        3.力學(xué)性能分析

        對(duì)1b~3b號(hào)焊后試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn),其拉剪力學(xué)平均值列于表6:

        表6 1b~3b號(hào)焊后試樣拉剪力學(xué)平均值

        圖8為在960℃的釬焊溫度,不同保溫時(shí)間條件下,接頭室溫抗剪強(qiáng)度變化圖。

        圖8 焊后試樣接頭室溫抗剪強(qiáng)度變化圖

        由表6和圖8可以看出,在相同釬焊溫度條件下,隨保溫時(shí)間的提高,釬焊接頭抗剪強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)先升高再降低的變化規(guī)律。且在保溫時(shí)間為10min時(shí),接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

        在過(guò)短的保溫時(shí)間內(nèi),熔態(tài)釬料不能很好的潤(rùn)濕母材,無(wú)法充分與母材發(fā)生融合,之后便很快進(jìn)入到降溫階段;而在過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的保溫時(shí)間內(nèi),母材和焊縫內(nèi)組織容易產(chǎn)生粗大相,導(dǎo)致母材和接頭變脆;10min的保溫時(shí)間,即能使釬料與母材發(fā)生很好的融合,又不至于使母材和接頭過(guò)度粗化。

        3.試驗(yàn)結(jié)果

        在定溫試驗(yàn)中,確定10min為最佳保溫時(shí)間。在10min保溫時(shí)間釬焊的試樣:釬料完全融化、流動(dòng)性良好;焊縫無(wú)貫穿性缺陷;釬縫和基體融合;接頭抗剪強(qiáng)度為399.6MPa,達(dá)到最大值。

        (三)研究小結(jié)

        通過(guò)定時(shí)和定溫試驗(yàn),確定在真空釬焊TC4鈦合金時(shí),釬焊溫度960℃和保溫時(shí)間10min是其最佳配合工藝參數(shù)。執(zhí)行此工藝參數(shù),TC4鈦合金真空釬焊焊接質(zhì)量良好、母材和焊縫組織融合、抗剪強(qiáng)度最大。

        四、結(jié)論

        (1) 在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下,采用Ti-13Zr-21Cu-9Ni釬料可實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金的連接。 (2) 復(fù)合釬焊工藝參數(shù)影響接頭的力學(xué)性能,當(dāng)釬焊溫度為960℃、保溫時(shí)間為10min時(shí),接頭室溫抗剪強(qiáng)度最高為399.6 Mpa。

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