鐘素娟，劉 攀，秦 建，司 浩，龍偉民，2，方乃文

1.鄭州機(jī)械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001

2.中機(jī)智能裝備創(chuàng)新研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315700

3.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

鈦合金材料因具有超高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐熱性以及良好的耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、化工、冶金和醫(yī)療等領(lǐng)域［1］。在諸多采用鈦合金材料制備的工件中，鈦合金換熱器作為海洋、航空航天高端裝備動(dòng)力與環(huán)控系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)與制造水平制約著國(guó)家重大裝備動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展。雖然我國(guó)作為繼英、美、日之后第四個(gè)自主研發(fā)板翅式散熱器的國(guó)家，在板翅式散熱器的設(shè)計(jì)理論、制造工藝、應(yīng)用研究等方面發(fā)展迅速，但在高端鈦合金板翅式散熱器制造技術(shù)方面仍存在被卡脖子的現(xiàn)象，尤其是在大尺寸、耐高壓、大載荷、強(qiáng)振動(dòng)、高溫腐蝕等極端服役的高效鈦合金換熱器制造方面短板突出，嚴(yán)重制約了其在航空航天、海洋裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

釬焊是將工件加熱到釬料熔化溫度而母材不熔化，通過(guò)釬料與母材的擴(kuò)散與溶解形成永久性連接的焊接方法，因其具有焊后變形小、能同時(shí)焊接多條形狀復(fù)雜焊縫等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于板翅式散熱器的生產(chǎn)制造中。釬焊技術(shù)、釬焊設(shè)備及釬焊材料是影響鈦合金板翅散熱器釬焊制造的三個(gè)核心因素，本文主要圍繞這三個(gè)核心因素，針對(duì)近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鈦合金板翅散熱器釬焊方面的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行綜合評(píng)述，旨在為國(guó)內(nèi)高端鈦合金板翅式散熱器的后續(xù)制造提供參考。

1 板翅式散熱器及其設(shè)計(jì)

板翅式散熱器最早由英國(guó)Marston Excelsior公司研發(fā)制造，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用與發(fā)展，目前已在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。由于板翅式散熱器具有優(yōu)秀的傳熱效率、復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與制造工藝，世界各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了持續(xù)不斷的研究［2］。

板翅式散熱器基本上由翅片、隔板、封條、導(dǎo)流片等零部件組成，翅片放置于隔板之間，并加上導(dǎo)流片與封條組成一個(gè)夾層，將許多個(gè)夾層按照流體流通的不同方式整體釬焊起來(lái)組成板束。其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 板翅式散熱器幾何結(jié)構(gòu)［3］Fig.1 Description of PFHE geometry［3］

相比于其他散熱器，翅片的存在使得板翅式散熱器具有擴(kuò)展的二次傳熱表面，在導(dǎo)熱過(guò)程中，一次導(dǎo)熱由隔板進(jìn)行，除此之外，熱量還會(huì)沿著翅片表面高度方向傳遞，由于翅片高度遠(yuǎn)大于翅片厚度，所以在翅片高度方向上形成近似均質(zhì)細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)桿的導(dǎo)熱類型［4］。作為板翅式散熱器的核心部件，翅片的長(zhǎng)、寬、高尺寸以及雷諾數(shù)（Re數(shù)）與翅片的類型對(duì)整體換熱速率與阻流有較大的影響［5］，翅片組成的流道及其布局如圖2所示。

圖2 流道布局示意［3］Fig.2 Schematic overview of the layout of a flow passage［3］

在板翅式散熱器設(shè)計(jì)方面，由于板翅式散熱器具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以其內(nèi)部流體的流動(dòng)與傳熱分析相對(duì)復(fù)雜，從而導(dǎo)致其理論設(shè)計(jì)尤為困難，包括翅片的設(shè)計(jì)、表面特性、通道的分配、傳熱機(jī)理的研究等難點(diǎn)內(nèi)容［6］。板翅式散熱器的主要設(shè)計(jì)流程包括理論分析、試驗(yàn)研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)等方面，理論設(shè)計(jì)主要利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)，通過(guò)在合理的傳熱數(shù)值模型基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的理論計(jì)算，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相互比對(duì)，分析翅片結(jié)構(gòu)、流道機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)的合理性，利用遺傳算法、混合算法等算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)工藝，最終獲得性能優(yōu)異的板翅式散熱器［7］。

2 鈦合金板翅散熱器釬焊方法

釬焊方法的進(jìn)步與完善在板翅式散熱器制造工藝的演變過(guò)程中無(wú)疑起到了至關(guān)重要的作用。在20世紀(jì)30年代英國(guó)Marston Excelsior公司利用浸漬釬焊方法制造了銅合金板翅換熱器，緊接著美國(guó)、日本、蘇聯(lián)也相繼開(kāi)始了板翅式散熱器的研究與制造，我國(guó)早期制造板翅散熱器的方法為空氣爐釬焊法，此時(shí)換熱器材料多為銅材、鋁材等。隨著國(guó)內(nèi)釬焊技術(shù)的進(jìn)步，一段時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)的主流釬焊方法為鹽浴釬焊法，伴隨著換熱器制造材料的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣。由于鈦合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕等優(yōu)點(diǎn)，鈦合金散熱器已成為現(xiàn)階段高端裝備動(dòng)力與環(huán)控系統(tǒng)的核心部件，到目前為止，真空釬焊方法因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為鈦合金板翅散熱器的主流釬焊方法［8］。

早期用于生產(chǎn)鋁合金板翅散熱器的鹽浴釬焊法屬于浸沾釬焊，是通過(guò)將焊件浸入鹽混合物溶液中，依靠液體介質(zhì)的熱量來(lái)完成釬焊過(guò)程，具有成本高、能耗高、工作環(huán)境差等缺點(diǎn)，在板翅散熱器的生產(chǎn)過(guò)程中已逐漸被真空釬焊所替代［9］。

真空釬焊法是將裝配好焊料的焊件放置于真空爐中進(jìn)行釬焊的焊接方法，工件表面氧化物在高溫和高真空的共同作用下被去除，特別適合釬焊面積大、焊縫多的工件［10］。真空釬焊所用工具稱為真空釬焊爐，其主體主要由爐體、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，高性能的設(shè)備是保證釬焊質(zhì)量的前提，研究綜合性能更為出色的真空釬焊設(shè)備對(duì)于提升鈦合金板翅式散熱器的釬焊質(zhì)量與尺寸具有重大意義。

在真空爐電氣控制系統(tǒng)上，暴翔等人［11］采用日本歐姆龍CP1H系列PLC實(shí)現(xiàn)了除裝配、卸載材料以外的全自動(dòng)工作，并增加了負(fù)載檢測(cè)功能，在保證工件的溫度一致性的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)表存儲(chǔ)打印、曲線顯示等功能，大大提升了釬焊的良品率。

當(dāng)釬焊工件尺寸較大時(shí)，真空爐內(nèi)釬焊溫度的均勻性對(duì)工件整體釬焊質(zhì)量影響較大。梁佰強(qiáng)等人［12］通過(guò)ANSYS模擬軟件對(duì)高真空釬焊爐進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，通過(guò)建立一種三維瞬態(tài)非線性熱分析模型獲得了爐內(nèi)不同位置工件的溫度變化曲線，達(dá)到可視化分析的目的，從而為釬焊工藝的設(shè)定與優(yōu)化提供一定的參考價(jià)值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果誤差很小，與實(shí)際焊接情況較為符合。

在實(shí)際釬焊過(guò)程中，真空爐內(nèi)總是存在著熱量的損失，爐腔幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中絕熱層的厚度對(duì)熱量的損失有較大的影響。Badshah等人［13］通過(guò)數(shù)值模擬不同厚度隔熱層對(duì)溫度與熱流傳導(dǎo)的影響，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)絕熱層厚度為40 mm時(shí)，爐體保溫效果良好，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在1.5%～5.0%之間，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算方式能夠有效地預(yù)測(cè)并優(yōu)化真空爐的保溫隔熱系統(tǒng)的傳熱行為。采用數(shù)值模擬和建模技術(shù)一定程度上可代替實(shí)際試驗(yàn)方法，節(jié)省了設(shè)計(jì)階段的時(shí)間和成本，并為真空爐的優(yōu)化改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)。

圖3 現(xiàn)有熔爐的幾何結(jié)構(gòu)［13］Fig.3 Geometric configuration of the existing furnace［13］

Litvintsev等人［14］針對(duì)大型真空爐內(nèi)的熱交換問(wèn)題建立了一個(gè)可供模擬研究使用的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化模型能夠在計(jì)算能力相對(duì)較小的計(jì)算機(jī)上以可接受的精度解決電爐中的熱交換問(wèn)題，并借此達(dá)到對(duì)爐內(nèi)的溫度狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)與控制的目的，以確保爐中發(fā)生物理和化學(xué)過(guò)程的條件符合技術(shù)要求。

在真空釬焊設(shè)備中，溫度控制是其工作的核心要素。學(xué)者們對(duì)真空釬焊設(shè)備在工作過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行了大量研究，研究?jī)?nèi)容主要集中在溫度傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型的建立與優(yōu)化，并由數(shù)學(xué)模型來(lái)完成仿真模擬的分析，借助模擬結(jié)果反饋到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，完成對(duì)利用真空爐釬焊時(shí)的參數(shù)優(yōu)化，從而最終達(dá)到提升釬焊質(zhì)量的目的。

3 釬焊工藝

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)真空釬焊鈦合金材料做了大量研究，為真空釬焊鈦合金板翅散熱器提供了豐富的理論知識(shí)，其中合適的釬焊工藝對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭十分重要。影響鈦合金真空釬焊接頭質(zhì)量的工藝因素主要有：釬焊溫度、保溫時(shí)間、接頭間隙、真空度等。如何綜合考慮并分析各因素對(duì)鈦合金真空釬焊過(guò)程的影響對(duì)獲得優(yōu)秀的釬焊接頭至關(guān)重要。

釬焊溫度與保溫時(shí)間主要通過(guò)影響釬焊過(guò)程中各組分之間的擴(kuò)散與溶解等物理化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行程度來(lái)影響釬焊接頭的組織與性能。梁海［15］分別采用純銅釬料和Ti基釬料真空釬焊TA2鈦合金熱交換器。在純銅釬料釬焊過(guò)程中，釬焊工藝參數(shù)為釬焊間隙0.01 mm，在960℃下保溫60 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示釬縫組織分為三個(gè)區(qū)域，經(jīng)Ti-Cu合金相圖與能譜分析，釬縫中間層為Ti2Cu+TiCu的金屬間化合物組織，使接頭塑性降低。針對(duì)上述情況，適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)保溫時(shí)間，使共晶液相充分地?cái)U(kuò)散與溶解，讓Cu-Ti共晶點(diǎn)成分偏向富Ti端，從而減少中間層化合物組織的殘留，進(jìn)而達(dá)到提高接頭力學(xué)性能的目的。

當(dāng)選用Ti基釬料釬焊時(shí)，接頭組織分布均勻。王剛等人［16］選用Ti-Zr-Ni-Cu粉狀釬料真空釬焊TC4鈦合金，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)在950℃下保溫30 min時(shí)，接頭高溫（600℃）抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)387 MPa。合適的釬焊溫度和保溫時(shí)間可以讓各組分間更為充分地?cái)U(kuò)散、溶解與反應(yīng)，并使界面金屬間化合物層的厚度適中，從而起到提升釬焊接頭力學(xué)性能的效果。

趙朋舉等人［17］采用Ti基釬料真空釬焊TA15，通過(guò)觀察不同釬焊溫度與保溫時(shí)間的釬縫顯微組織形貌，綜合分析后得出組織變化趨勢(shì)如圖4所示。釬縫組織中的α相會(huì)逐漸形成針狀、板條狀和塊狀。隨爐緩冷時(shí)，過(guò)冷度較小，α相晶核優(yōu)先在母材晶界上形成，在釬焊溫度與保溫時(shí)間處于較低水平時(shí)，顆粒狀α相在溫度梯度的影響下生長(zhǎng)為針狀，當(dāng)溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，針狀α相不斷生長(zhǎng)與中心α相聯(lián)合出現(xiàn)貫徹焊縫的板條狀，此時(shí)α相與β相分布比較均勻，接頭力學(xué)性能表現(xiàn)良好，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高或保溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，釬縫組織變?yōu)棣孪鄽埓嬖谟卺槧?、片狀和塊狀α相之間，并且α相逐漸粗化，使接頭性能降低。

圖4 界面組織演變示意［17］Fig.4 Schematic diagram of the evolution of interface organization［17］

A.Elrefaey 等人［18］用 AgCuInTi釬料真空釬焊純鈦時(shí)，發(fā)現(xiàn)在釬焊溫度一定時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬縫組織會(huì)發(fā)生明顯的變化，如圖5所示。在釬焊溫度為750℃時(shí)，保溫5 min，釬縫中存在大量的灰白色銀基固溶體A，C為富Cu的Cu2TiIn金屬間化合物；當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到90 min時(shí)，由于大量的Cu和In與Ti形成了金屬間化合物相，導(dǎo)致Ag固溶體區(qū)域顯著縮小，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣斷口主要位于Ag基固溶體處。

圖5 AgCuInTi釬料真空釬焊純鈦的釬縫組織［18］Fig.5 Brazing seam structure of pure titanium Vacuum Brazed with AgCuInTi solder［18］

由上述內(nèi)容可知，釬焊工藝條件對(duì)釬縫的組織與性能有著明顯的影響。隨著釬焊溫度與保溫時(shí)間的改變，釬焊過(guò)程中釬料與母材相互作用的程度也隨之變化，導(dǎo)致釬焊接頭顯微組織與結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，進(jìn)而影響接頭性能。尤其是在板翅式鈦合金換熱器的焊接中，由于鈦合金母材較薄，焊縫數(shù)量多，更要注重釬焊工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而在選用的工藝條件下使釬料與母材充分地溶解與擴(kuò)散，形成外觀潔凈、性能可靠的釬焊接頭，而又不使釬縫顯微組織發(fā)生明顯粗化導(dǎo)致接頭力學(xué)性能受損。

4 釬焊材料

釬料作為釬焊過(guò)程中的填充金屬對(duì)釬焊接頭的形成具有十分重要的作用，合適的釬料應(yīng)具有優(yōu)良的潤(rùn)濕填縫能力以及良好的力學(xué)性能。在鈦及鈦合金釬焊中，可選用的釬料種類繁多，從釬料基礎(chǔ)成分上可分為銀基釬料、鋁基釬料、鈦基釬料等類別。

4.1 銀基釬料

銀基釬料因具有較低的熔點(diǎn)、優(yōu)良的潤(rùn)濕性以及相對(duì)較高的強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于鈦及鈦合金的釬焊［19］。適用于鈦合金釬焊的銀釬料一般以純銀釬料、銀銅釬料為基體材料，并向其中加入如Li、Ni、Mn、Al等金屬元素，但由于Li、Mn等元素蒸汽壓較高，在真空中極易揮發(fā)，不適用于真空釬焊。

Peng等人［20］研究了用Ag箔真空釬焊TC4鈦合金，釬焊溫度為1 000℃維持10 min，并在800℃進(jìn)行擴(kuò)散處理，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析：釬縫組織主要為α+β的層狀結(jié)構(gòu)與Ti-Ag金屬間化合物，由EPMA與TEM結(jié)果得知IMC主要由附著在Ti2Ag上的針狀和微米級(jí)的TiAg顆粒相，以及一些顆粒結(jié)構(gòu)的Ti2Ag組成。隨著高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間的延長(zhǎng)，界面反應(yīng)層逐漸向釬縫中心移動(dòng)，IMC由針狀向球狀轉(zhuǎn)變，并且數(shù)量減少，在800℃下保溫120 min時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)864.5 MPa。在整個(gè)冷卻凝固過(guò)程中主要發(fā)生了L→TiAg+（Ag）與（β-Ti）→（α-Ti）+Ti2Ag兩種反應(yīng)，最終釬縫的成分為［（Ag）+TiAg］共晶+（β-Ti）+［（α-Ti）+Ti2Ag］共析。

Joachim Gussone等人［21］研究了Ag28Cu釬料在820℃下保溫10 min真空釬焊4種不同的鈦合金材料（Ti-CP2，Ti-CP4，Ti64，Ti6242），其接頭顯微組織如圖6所示，結(jié)合EDS分析結(jié)果可知，每種接頭界面處都存有金屬間化合物層，除圖中所示的化合物外，在釬縫富銀相中也分布有其他金屬間化合物，在Ti-CP2和Ti-CP4中主要是Ti3Cu4，在Ti64和Ti6242中主要為TiCu2Al。此外在Ti6242接頭金屬間化合物中都發(fā)現(xiàn)了Zr的存在，并且在富Al化合物中含量最高。在Ti-CP2接頭拉伸試驗(yàn)中，斷裂處位于TiCu與Ti2Cu界面處；而在Ti-CP4與Ti64中，在TiCu中出現(xiàn)穿晶斷裂現(xiàn)象；在Ti6264拉伸試驗(yàn)中，裂紋沿著富銀相發(fā)展。拉伸強(qiáng)度由高到低分別為Ti6242接頭、Ti64接頭、Ti-CP4接頭、Ti-CP2接頭，由于界面處微觀組織結(jié)構(gòu)差異并不顯著，推測(cè)其強(qiáng)度可能與鈦合金基材的成分有較大關(guān)系。

圖6 釬焊區(qū)域的SEM顯微照片［21］Fig.6 SEM micrographs of the brazing region for all investigated compounds［21］

楊靜等人［22］研究了Ag95CuNiLi釬料對(duì)鈦合金的釬焊性。潤(rùn)濕試驗(yàn)結(jié)果表明，釬料對(duì)鈦合金潤(rùn)濕性較強(qiáng)，并且在釬縫中鈦合金側(cè)形成了共晶組織，這是由于焊后冷卻時(shí)，鈦合金界面處會(huì)形成α型針狀組織，與沿鈦合金晶間擴(kuò)散的釬料組分一同形成共晶組織的特征。Li元素的加入能降低釬料熔點(diǎn)，并因其具有強(qiáng)烈的還原性能有效去除母材表面氧化膜，但是在真空中Li極易揮發(fā)，所以含Li釬料一般不適用于真空釬焊。

4.2 鋁基釬料

鋁基釬料因?yàn)槿埸c(diǎn)低，一般低于鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度，并且與鈦基體相互作用小，所以適宜鈦合金散熱器、鈦蜂窩與板層結(jié)構(gòu)的釬焊，且Al與鈦基體相互作用小，在釬焊過(guò)程中不會(huì)因?yàn)門i過(guò)飽和而形成大量脆性金屬間化合物，但是鋁基釬料釬焊接頭剪切強(qiáng)度較低，一般低于100 MPa。

Takemoto等人［23］研究了純鋁及金屬元素對(duì)鋁釬料釬焊鈦與鈦接頭顯微組織及性能的影響。在680℃保溫3 min的焊接條件下，純鋁釬料的金屬間化合物層最厚，在所添加的各種金屬元素對(duì)金屬間化合物層厚度的影響中，Ni的作用最為微弱，Si作用最為明顯。進(jìn)一步研究Si對(duì)Al釬料的影響，發(fā)現(xiàn)Al-0.8Si釬料效果相對(duì)較好，推測(cè)Si溶解到Al3Ti中會(huì)抑制其生長(zhǎng)，并且與純鋁釬料相比較，Al-0.8Si釬料釬焊接頭具有更好的耐熱性。Sohn等人［24］研究了Al-10Si-1Mg釬料真空釬焊CP-Ti和Al1050，在620℃下保溫不同時(shí)間，發(fā)現(xiàn)釬焊接頭剪切強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，最高剪切強(qiáng)度為84 MPa，是在保溫25 min條件下獲得的。通過(guò)觀察接頭微觀組織得知，接頭強(qiáng)度的降低是由于在鋁母材側(cè)界面處形成了微孔缺陷。

Eckartd等人［25］研究了多種鋁基釬料釬焊CP-Ti與TC4，其中TiBrazeAl-635（Al-4.2Cu-1.5Mg-0.5Mn-0.5Si）在兩種母材上都表現(xiàn)出優(yōu)良的潤(rùn)濕性，并且真空釬焊時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度最大可達(dá)140 MPa，在釬縫微觀組織中，界面處存在金屬間化合物層，EDS顯示該層可能是Al3Ti金屬間化合物，并且這種金屬間化合物呈離散結(jié)構(gòu)向接頭中間延伸。該層的厚度約為5～15 μm，并且在TC4接頭中的厚度往往大于CP-Ti。經(jīng)試驗(yàn)證明，這種不連續(xù)的金屬間化合物層表明TiBrazeAl-635具有優(yōu)良的機(jī)械性能。

4.3 鈦基釬料

在鈦基釬料的研究中，早期主要以添加Cu、Ni等能與Ti形成共晶的元素來(lái)降低釬料整體的熔點(diǎn)，形成了一系列以Ti-Cu-Ni為基礎(chǔ)的釬料。Zr能在Ti中無(wú)限固溶，是鈦合金的主要強(qiáng)化元素之一；此外，向基礎(chǔ)釬料中加入少量的稀土元素對(duì)接頭性能也有明顯的改善。近些年來(lái)，鈦基釬料因具有更高的強(qiáng)度、耐蝕性與耐熱性被諸多學(xué)者持續(xù)研究。

Song等人［26］采用Ti-28Ni釬料真空釬焊Ti60合金與TiAlNb合金，在1 040℃保溫10 min時(shí)釬縫顯微組織及元素分布如圖7所示，焊縫整體分為4個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)為擴(kuò)散區(qū)，Ni元素向Ti合金母材擴(kuò)散，由于Ni元素為β相穩(wěn)定元素，會(huì)降低β相轉(zhuǎn)變溫度，促使α向β轉(zhuǎn)變，最終冷卻形成板層狀的α+β組織；Ⅱ區(qū)主要成分為Ti2Ni金屬間化合物；Ⅲ區(qū)主要成分為α-Ti加少量Ti2Ni；Ⅳ區(qū)由于靠近TiAlNb側(cè)，形成了Ti3Al化合物。隨著釬焊溫度的升高，Ni擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致Ti2Ni和Ti3Al相的消失，有利于接頭性能的提升，在1 080℃下釬焊10 min，接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)140 MPa。

圖7 Ti60/Ti-28Ni/TAN接頭在1 040°C下釬焊10 min的典型界面顯微組織及元素分布［26］Fig.7 Typical interfacial microstructure of Ti60/Ti-28Ni/TAN joint brazed at 1 040 °C for 10 min and the corresponding element distribution maps［26］

傳統(tǒng)理論認(rèn)為當(dāng)鈦基釬料中Cu、Ni成分含量較高時(shí)，會(huì)與Ti形成大量的脆性化合物，進(jìn)而影響釬焊接頭的力學(xué)性能［27］。Pang等人［28］通過(guò)向原始釬料中添加多種組分來(lái)減少Ti基釬料中Cu、Ni的含量，由此制備出成分為Ti50Zr27Cu8Ni4Co3Fe2Al3Sn2Si1的新型鈦基非晶釬料并真空釬焊TC4鈦合金，對(duì)釬縫顯微組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)釬縫組織主要由α-Ti、β-Ti、富Ti-Zr相以及少量的脆性金屬間化合物組成，試樣剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于用其他高Cu和高Ni含量釬料釬焊的接頭強(qiáng)度，可達(dá)（413±11）MPa。相比于常規(guī)的釬料設(shè)計(jì)方法，這種多組分的非晶合金釬料的設(shè)計(jì)方法對(duì)未來(lái)新型鈦合金釬焊用釬料具有一定的參考價(jià)值。

Jing等人［29］研究了Zr元素的含量對(duì)鈦基釬料釬焊TC4鈦合金釬焊接頭性能的影響，隨著Zr含量的增加，TiZrCuNi系釬料潤(rùn)濕性提高，并且Zr作為β相穩(wěn)定元素，易溶入β相，促進(jìn)β相的生長(zhǎng)，隨著Zr含量減少，魏氏組織中β相的寬度變窄，從而起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，提升接頭強(qiáng)度。當(dāng)Zr元素含量過(guò)高，由于Ti與Zr能無(wú)限互溶，使界面處Zr大量聚集，導(dǎo)致各元素偏析于界面處形成脆性的金屬間化合物，影響接頭性能。

在對(duì)Zr含量對(duì)釬焊接頭顯微組織與性能的進(jìn)一步研究中，Jing等人提出了一種釬料設(shè)計(jì)模型，該模型主要通過(guò)模擬釬料合金中晶體單元的結(jié)合強(qiáng)度，來(lái)模擬計(jì)算釬料合金的強(qiáng)度與硬度，通過(guò)該計(jì)算模型預(yù)測(cè)了TiZiCuNi系釬料合金中Zr元素的最佳含量為17%～19%，在試驗(yàn)中利用Ti-（17-19）Zr-15Cu-15Ni真空釬焊TA15，釬焊溫度為920℃，在釬縫顯微組織中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)金屬間化合物的存在，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，層狀β相的寬度隨之增加，釬縫整體微觀組織無(wú)明顯變化，呈魏氏組織形貌，并且拉伸試驗(yàn)都斷裂于母材上，由此推測(cè)釬料合金中合適的Zr含量能抑制其他金屬間化合物的形成［30］。

目前，通過(guò)向釬料中加入稀土元素是改善釬料性能的常用方法。在金屬材料中添加微量稀土?xí)@著改善其物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能［31］。He等人［32］通過(guò)向傳統(tǒng)Ti-15Cu-15Ni釬料中添加稀土元素Dy，并以此真空釬焊TC4鈦合金，釬縫顯微結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)區(qū)域，Dy元素與Cu、Ni具有很高的親和性，其會(huì)限制釬焊過(guò)程中Cu、Ni元素向TC4母材的擴(kuò)散，使大量的Ti、Cu、Ni匯聚于釬縫中心處，形成金屬間化合物層，當(dāng)Dy添加量為0.4wt.%時(shí)，釬縫中出現(xiàn)了未熔解的Dy顆粒，其作為表面活性物質(zhì)匯聚于固液界面前沿，造成應(yīng)力集中，影響接頭性能。在1 020℃保溫10 min的工藝條件下，在Dy添加量為0.05wt.%時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度比未添加Dy時(shí)高24.6%，為776.9 MPa。

5 存在的問(wèn)題與展望

5.1 存在的問(wèn)題

綜上所述，雖然目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)鈦合金真空釬焊做了大量研究，但在釬焊設(shè)備、釬焊技術(shù)、釬焊材料方面仍然存在著較多的問(wèn)題。

（1）在釬焊技術(shù)方面，大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金板翅式換熱器成品率較低，需進(jìn)一步研究高效、高可靠的釬焊技術(shù)。

（2）在釬焊設(shè)備方面，現(xiàn)有的釬焊設(shè)備難以滿足高端裝備向高參數(shù)化和大型化發(fā)展，制約了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

（3）對(duì)于釬焊材料的研究，雖然適用于鈦合金釬焊的釬料種類形式多樣，但是銀基釬料耐高溫性差，鋁基釬料接頭強(qiáng)度低，鈦基釬料雖然具有較高的接頭力學(xué)性能與良好的耐熱性和耐蝕性，但是鈦基釬料極易與母材過(guò)度反應(yīng)，導(dǎo)致母材熔蝕、脆性增加，嚴(yán)重?fù)p害釬焊接頭性能，因此亟待開(kāi)發(fā)研制適宜的釬焊材料。

5.2 發(fā)展方向

（1）開(kāi)展新型釬焊設(shè)備研究，研制多熱源加熱真空釬焊爐。針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題，開(kāi)展大型電阻極速生熱與輻射加熱雙熱源真空釬焊設(shè)備的研發(fā)，利用雙熱源耦合作用快速加熱原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸鈦合金板翅式散熱器的真空釬焊，提升釬焊質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

（2）開(kāi)發(fā)新型釬焊材料。針對(duì)上述各種釬料存在的問(wèn)題，結(jié)合原位選擇性合成技術(shù)，開(kāi)發(fā)低熔點(diǎn)、低熔蝕、多形態(tài)的新型鈦基釬料。

（3）深入研究釬料與母材間冶金反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)構(gòu)建釬料微觀組織演變的熱力學(xué)模型，聯(lián)合溫度、時(shí)間、壓力等多元參數(shù)，模擬預(yù)測(cè)鈦合金釬焊釬縫組織及界面行為，揭示釬料與釬焊工藝條件對(duì)焊縫組織演變及應(yīng)力分布的內(nèi)在聯(lián)系，形成高端鈦合金散熱器復(fù)雜構(gòu)件可靠的釬焊成套工藝。