先進航空鈦合金中溫釬焊技術的研究進展

陶博浩，李 紅，栗卓新，郭 福

（北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124）

0 引 言

與鋼鐵材料或鋁合金相比，鈦合金是一種新的結構材料，其突出的特性包括高的比強度、優異的抗疲勞性和耐蝕性，廣泛應用于高強度鋼以及鋁合金因質量、強度、抗蝕性或高溫穩定性等綜合性能不能滿足的航空產品中，例如：飛機機架和航空發動機等［1］。隨著民用飛機工業的不斷發展，民用客機的用鈦量已從20世紀60年代的2%（質量分數，下同）左右提高到現在的10%以上。其中，B787飛機的用鈦量占全機質量的15%；A380飛機采用了全鈦掛架，用鈦量占全機質量的10%［2］。與早已廣泛應用的 Ti-6Al-4V 合金相比，新型航空鈦合金如VST55531鈦合金（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）、細晶鈦合金（Ti-6Al-4V）、Ti-3Al-3Mo-3V-1Zr等具有更好的斷裂韌性和更高的強度，分別用于飛機的機翼/吊掛接頭、起落架、超塑性蒙皮（SPF）以及液壓油管等結構中［3］。而在很多情況下，都會涉及到航空鈦合金自身間或與鋁、不銹鋼、鈦鎳合金等異種材料的連接問題［4－6］。常見的連接技術有激光焊［7］、擴散焊［8］、摩擦焊［9］和釬焊［10］等。

鈦及其合金會在750～1 040℃溫度范圍內發生同素異構轉變，由具有密排六方結構的α相轉變成具有體心立方結構的β相。當加熱溫度接近或者超過α相→β相或（α＋β）相→β相的轉變溫度時，β相的晶粒尺寸會急劇變大，顯微組織顯著粗化，使材料性能下降［11］。Mazumder［12］等對鈦合金進行焊接后發現，焊縫在凝固過程中形成了粗大的β晶粒，在達到馬氏體轉變溫度時晶內組織轉變為馬氏體，接頭的塑性大大降低。在釬焊過程中，釬料會和母材發生擴散反應，在界面處生成新的鈦基脆性金屬間化合物 TixCuy、TixAly、TixNiy等［13－15］，致使焊縫存在較大的開裂傾向，接頭性能惡化。因此，為了避免對母材性能造成損傷并提高焊接接頭的性能，近年來，國內外研究者提出了將鈦合金的釬焊溫度控制在β相轉變溫度以下，即在800℃以下進行中溫釬焊。

與鈦合金高溫釬焊用釬料相比，已經投入商業化生產的鈦合金中溫釬焊用釬料的種類和數量相對較少，且大部分仍然處于試驗研究階段［11］。為給相關研究人員提供參考，作者分析和總結了先進航空鈦合金中溫釬焊用釬料及中溫釬焊技術的最新研究進展。

1 中溫釬焊用釬料的發展

1.1 金屬基釬料

適合鈦合金中溫釬焊的金屬基釬料主要有三大類：銀基、鋁基、鈦－鋯基釬料，可以通過添加不同微量元素的方法來降低釬料的熔點、改善釬料的潤濕性，如表1所示。

表1 微量元素對鈦合金中溫釬焊用金屬基釬料熔點和潤濕性的影響Tab.1 Effects of microelements on melting point and wettability of low temperature brazing filler metals

銀基釬料具有較好的流動性，是最早用于釬焊鈦及鈦合金的釬料。張冠星［18］等發現銻在降低該釬料潤濕性的同時能夠在銀基金屬表面形成致密的氧化膜，從而保護金屬不被進一步氧化，有利于提高釬料的抗氧化性能。薛松柏等［16－17］發現錫、銦質量分數在1%～10%之間時，能大大提高釬料的鋪展潤濕性能，并使接頭的強度提高，當質量分數為5%時，釬焊接頭強度均達到180MPa以上。

與銀基釬料相比，鋁基釬料的釬焊溫度較低，遠低于鈦合金β相的轉變溫度，且與鈦基體相互作用小，無明顯的溶蝕和擴散；另外，其價格便宜，加工性能優良。Chang等［24］以 Al-12Si釬料為基礎，通過加入銅、鍺及稀土元素RE（La、Pr）將鋁基釬料的液相線溫度從592℃降至513℃，固相線溫度從586℃降至489℃，獲得了2種新型的用于鈦合金中溫釬焊的釬料。Shapiro等［24－25］自2007年以來，一直在開展中溫釬焊鈦合金的研究，他們以鋁－鎂、鋁－銀二元合金，鋁－銅－硅、鋁－銀－銅三元合金為基礎，通過加入鎳、錫、鎂元素研制了新型鋁基中溫箔釬料，用新型 Al-4.2Cu-1.5Mg-0.5Si合金箔釬料進行釬焊后得到的接頭平均強度為140.7MPa，高于廣泛應用的AWS BAlSi-4型釬料釬焊后得到的接頭的平均強度（69.9MPa）。另外，Shapiro認為鋁－銅－鎂系合金在所有低熔點鋁基箔釬料中，非常具有研究價值。

與銀基、鋁基釬料相比，用鈦－鋯基釬料釬焊后得到的接頭強度更高，耐蝕性和耐熱性更好。Lee等［27］采用熔點為725 ℃的非晶態41.2Zr-13.8Ti-10.0Ni-12.5Cu-22.5Be合金釬料在低于800 ℃的溫度下實現了鈦合金的釬焊。

1.2 納米多層膜復合釬料

由于納米粒子相對于傳統的合金粉體或者塊體材料而言具有熔點低、活性高等特性，可以通過在釬料中加入納米級顆粒制成納米多層復合膜釬料來降低釬料熔點、改善接頭性能［28］。

Janczak-rusch［29－30］等通過交替濺射沉積了銀－銅釬料層和碳擴散阻礙層，制備了銀－銅/碳納米多層膜復合釬料，其與傳統的金屬基銀－銅釬料相比，熔點下降了約50℃，釬焊溫度下降了40～50℃；另外，該研究者亦采用直流磁控濺射AlSi12納米涂層及AlN擴散阻礙層，制備AlN/AlSi納米多層膜釬料，當納米涂層厚度達到2～3nm時，納米多層膜復合釬料的熔點比無納米涂層AlSi釬料（熔點為577℃）的下降了約230℃。Tillmann［31］等制備了具有鋁－鎳活性納米多層膜的釬料，并進行了感應釬焊，其釬焊溫度與傳統釬料相比，降低130℃左右。

2 中溫釬焊技術的發展

2.1 真空/氣保護爐中釬焊技術

目前，常用的鈦合金中溫釬焊方法主要是在真空/氣保護爐中進行釬焊，釬焊溫度、保溫時間等工藝參數是影響鈦合金釬焊接頭性能的重要工藝參數。

Elrefaey［32－33］等以 Ag-27.2Cu-12.5In-1.25Ti為釬料，對不銹鋼和鈦合金進行了真空釬焊，釬焊溫度為650～850℃。他們發現，隨著釬焊溫度的升高，焊接區域的厚度隨之減小，金屬間化合物數量不斷增加；當釬焊溫度為750℃時，焊接接頭良好，沒有金屬間化合物脆性相生成；當溫度上升至800～850℃時，焊接接頭中產生大量金屬間化合物，包括TiCu、CuTi3、Cu2Ti等脆性相；抗剪強度試驗發現，釬焊溫度為750℃時，接頭抗剪強度最大，為113MPa。另外，他們研究了同種鈦合金間的真空釬焊工藝及性能，發現反應層的厚度隨釬焊時間的延長而增大，釬料中金屬元素的流失量隨著反應層厚度的增加而增多；保溫5min時，釬焊接頭以銀基固溶體為主，銅、銦和鈦形成了TiCu、β-Cu4Ti等大量金屬間化合物；保溫90min時，鈦的溶解度隨之增加，銅、銦和鈦形成了大量金屬間化合物，銀基固溶體區域不斷縮?。豢辜粼囼灲Y果表明，在750℃下保溫30min，可得到最大抗剪強度為92.3MPa的釬焊接頭。

Du［34］等采用 Ag-28Cu釬料對 Ti-6Al-4V 合金分別在不同溫度下進行爐中釬焊，釬焊溫度為800，850，900℃，保溫1 200s。對焊接接頭分析后發現，在 Ti-6Al-4V母材界面富集著銀、銅、銅－鈦金屬間化合物，當釬焊溫度為800℃時，獲得了最大抗剪強度為80MPa的接頭，斷裂位置為釬料中間層靠近母材的一側；隨著釬焊溫度的增加，釬焊接頭中金屬間化合物的數量、種類逐漸增多，釬焊接頭富集Ti2Cu、Ti3Cu4等金屬間化合物，接頭強度逐漸降低。

Lee［27］等采用41.2Zr-3.8Ti1-10.0Ni-12.5Cu-22.5Be釬料對鈦合金進行氬氣保護爐中釬焊，釬焊溫度分別為780，800℃，保溫時間為10min。研究表明，隨著釬焊溫度的升高，釬焊接頭的抗剪強度和伸長率逐漸增加，當釬焊溫度為800℃時，釬焊接頭的抗剪強度和伸長率最大，分別為397MPa和36%；通過對釬焊接頭進行測試觀察，發現釬焊溫度低的試樣在接頭中心位置出現了成分偏析，而釬焊溫度高的試樣則沒有變化，耐蝕性較好。

Troy［20］采用 Ag-24.4Cu-19.3Ge-1.0Ti釬料對Ti-6Al-4V合金蜂窩夾層結構進行氬氣保護爐中釬焊，釬焊溫度為510，593℃，前者保溫24h，釬焊接頭分別為搭接及T型對接。結果發現，當釬焊溫度為593℃、拉剪試驗環境溫度為371℃時，搭接及T型對接接頭的最大平均抗剪強度分別為82.05，82.74MPa。將T型對接接頭置于鹽霧環境中3h后，其抗剪強度與未進行鹽霧腐蝕的接頭相比未減小，耐蝕性良好。

2.2 PVD制備涂層結合爐中釬焊技術

采用物理氣相沉積技術（PVD）可以在母材表面沉積金屬涂層作為釬焊反應層。在爐中進行釬焊時，反應層能與基體形成低熔點的共晶或亞共晶組織，有效降低釬焊溫度，減少高溫釬焊產生的多種脆性金屬間化合物，減少接頭裂紋和氣孔，提高接頭的致密性及力學性能［35－37］。

Elrefaey［36］等以銅作為PVD陰極材料，分別在鈦、普通碳鋼表面離子濺射沉積厚度分別為7，10，15μm的銅涂層作為釬焊反應層，研究了釬焊保溫時間、銅涂層厚度、銅沉積速率對鈦/鈦、鈦/鋼釬焊接頭組織及力學性能的影響。結果發現，鈦/鈦、鈦/鋼接頭中均存在Ti2Cu、TiCu、FeTi等金屬間化合物，鈦/鈦接頭的強度高于鈦/鋼接頭的，而且釬焊接頭的強度隨著銅涂層的擴散消失而逐漸增大；銅涂層的厚度、釬焊保溫時間是影響釬焊接頭強度的重要因素。

2.3 復合釬焊技術

Yan等［38］使用鋅－鋁和鋅－鋁－硅釬料對鈦和鋁進行了超聲波感應釬焊連接。前者接頭形成了TiAl3脆性相，后者形成了Ti7Al5Si12相。分析認為，使用不同的釬料會引起接頭物相的轉變，超聲波的作用以及釬料中添加硅是決定因素，這種轉變有利于提高接頭的性能。

北京工業大學研究者提出了一種超聲輔助激光釬焊的焊接方法，他們采用鋁－硅－鋅基釬料，對無釬劑作用下的TiNi合金與鈦合金的激光釬焊進行了探索性研究。陶博浩等［39］采用座滴法對鋁基釬料在TiNi形狀記憶合金表面的潤濕鋪展性進行了研究。當激光功率為470W、超聲時間為1.0s時可以獲得最大的鋪展面積，為106.45mm2，潤濕角約16°，通過分析不同鋪展界面的組織可知，超聲波的作用和激光功率是影響釬料在母材表面潤濕鋪展的重要因素。

3 結束語

基于先進航空鈦合金會在750℃以上發生同素異構轉變的特點，將釬焊溫度控制在800℃以下的中溫釬焊技術以及中溫釬焊用釬料是研究釬焊鈦合金的重要方向。目前，能夠對鈦及其合金進行釬焊用的中溫釬料的品種較少。低熔點、成本低廉、成形性能較好且與鈦基體相互作用較小的鋁基中溫釬料具有較好的發展和應用前景。

中溫釬焊鈦合金時，較高的釬焊溫度以及較長的保溫時間均會造成焊接接頭界面形成大量的脆性金屬間化合物，焊縫處會出現成分偏析現象以及較大的開裂傾向，影響釬焊接頭的耐蝕性能及力學性能，因此航空鈦合金中溫釬焊工藝的控制非常關鍵。

將加入納米顆粒層制備的復合釬料、物理氣相沉積技術（PVD）、復合釬焊技術應用于鈦合金釬焊，能夠很好地降低釬焊溫度，減少接頭脆性金屬間化合物，改善釬焊接頭的性能，利用這些技術開展航空鈦合金的中溫釬焊研究具有創新性，將對航空鈦合金中溫釬焊技術的發展產生重要影響，也是今后發展的重要方向。

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