鈦合金與鋁合金材料釬焊接頭組織及力學性能

邱 花

(西安航空職業技術學院,陜西 西安 710089)

在現代航空航天和大型器械制造領域，一些高精尖的設備設施如機載偵查導彈導引、信號感應器等所用的光電平臺和外部主體均需要使用鋁合金為主要的結構材料。但是金屬鋁和鋁合金具有比較高的熱膨脹系統，所以以鋁合金為主要結構的光電平臺抗熱載荷能力極差，很容易影響相關導向精度、視距穩定、圖像清晰度、信號接受度等重要技術指標。而鈦合金的熱膨脹系數僅為鋁合金的三分之一，但是比模量卻是鋁合金的三倍，如果將鈦合金應用于鋁合金的相關構件制造中，將會大幅提高鋁合金構件的穩定性和應用強度。對此提出了一種新的非真空超聲焊接法，可以有效解決了兩種金屬同時潤濕結合的問題，并對其釬焊接頭和力學性能進行綜合測評[1]。

1 釬焊材料及方法

1.1 釬焊材料選擇

本次焊接選擇的鈦合金機體材料為TC4其主要成分如表1所示。

表1 鈦合金元素成分表

為了方便使用非真空超聲焊接法后，對鈦合金和鋁合金用釬焊接頭的組織及力學性能進行檢測，在焊接前可以將兩種合金材料均加工為60mm×20mm×10mm立方體。釬焊材料選擇為zn-3Cu-Si釬焊料，根據檢測，釬焊料熔點為380攝氏度左右，抗壓強度為300MPa[2]。

1.2 焊接方法

本次實驗選擇超聲輔助釬焊技術，其具體焊接步驟如下：在焊接前，需要將鈦合金完全浸入液態純鋁金屬液體中，靜置五分鐘后，取出平整表面。將處理后的鈦合金和鋁合金塊相互搭接，橫截面完全重后裝入夾具并放置于釬焊平臺上，并將焊接材料放在兩種合金橫截面中間夾緊。焊槍溫度超過450攝氏度以后，釬焊材料會開始融化，施加超聲震動，持續五秒，等待兩種合金冷卻，焊接宣告完成。實驗超聲頭頻率最好為50kHz，超聲波振動幅度為20納米[3]。

2 實驗結果及討論

2.1 釬焊接頭微觀組織

利用光學顯微鏡對前焊接頭進行整體微觀組織掃描，通過對鈦合金和鋁合金釬焊接頭的顯微組織觀察可以發現，釬焊縫中的沒有明顯的氣孔、夾雜、焊縮孔等現象。焊縫內側出現明顯起伏和凹凸，證明釬焊材料完全溶解于焊縫。另外通過微觀觀測可以確定，鈦合金和鋁合金表面的氧化膜已經被徹底去除，釬焊縫處，兩種母材結合情況較好，完全達到冶金結合標準。

進一步放大焊接縫組織可以發現，zn-3Cu-Si中的Si顆粒已經完全與焊接縫結合，并保持原有的規格尺寸，沒有出現因為金屬顆粒為濕潤和產生的孔洞，也沒有出現由于釬焊接頭反應，而產生的顆粒溶解現象。其原因主要是因為釬焊時，溫度始終保持在450度左右，這樣的溫度下Si顆粒、鋁顆粒和其他實驗用到的金屬顆粒不會出現化學反應，形成金屬化合物。此外，通過光學顯微鏡的放大觀察可以看到在焊縫中，出現了大量規格為10納米左右的金屬顆粒，應該是鋁合金中的Zn元素向外擴散，遷移到了焊縫中，并與鋁合金中的Al元素單獨結合，形成了Zn-Al固溶體。通過對此類固溶體進一步物理測試，可以確定，該固溶體熔點低于450攝氏度。焊接時呈液態分布，并可以自由流動，并與釬焊材料中的Si顆粒一同形成新的復合顆粒，并產生集聚[4]。

（1）基本工作內容。有了第一次礦產區劃的經驗，第二輪顯得更為完善一些，為了完成任務，當時政府和專業商議后擬定了四個基本工作內容。第一，參與此次礦產區劃的省市，必須嚴格負責本次工作，相鄰省份之間只進行資料交流，報告文書只針對各省份情況不同編制跨省的區劃報告文件。第二，本次礦產區劃工作在第一次劃分的礦區帶基礎上圈出成礦遠景區。第三，本次工作要突出任務重心，將礦種選擇放在工作首要位置，第一輪時僅對四種礦產進行研究，而第二次則將銅、鉛、鋁、錫、氧化錳等十八種作為勘察重點，從這些導向礦種我們不難發現第二次的豐富性，更展現了國家對地質研究的決心和信心。第四，本次工作要尋找新理念、新思想、新方法，突破原有的礦產區劃模式，利用現代科技手段進行多方找礦工作。

（2）工作成果。第二輪礦產區劃工作結束后，收獲比第一輪豐碩許多，首先，參與本次工作的省市共遞交了二十八份報告文書，通過對文書的統計本次工作共圈出1208個成礦遠景區，這一報告是非常振奮人心的，是我國50年代以來第一次圈出這么多成礦遠景區，為當時的經濟建設與發展提供了不少幫助。

（3）第三次礦產區劃工作。第三次礦產區劃工作時間為2006-2014年，是三次中歷時最長的一次礦產區劃工作，進入新世紀以后，我國的國情發生不小的變化，人們的生產生活離不開礦產資源，而國家也正是考慮到了這一點下發了《國務院關于加強地質工作的決定》，該報告中指出，第三次礦產區劃是一次重要的國情調查，目的為了全面掌握我國現存礦產、礦種的各項情況，也是我國一次重要的地質學、國情的考察。

第三次礦產區劃工作的成果非常顯著，共完成了25個礦種的資源潛力估算，并根據探索的數據劃分了94個三級成礦帶，評定25個礦種的資源潛力和空間分布特征，相對于前幾次的勘察，本次的勘察更為實用。同時第三次礦產結束后匯集了全國礦產勘查和預測的各項數據，數據非常齊全，并在不斷實踐中形成了一批地質勘查學的專業人才。

4 總結及討論

通過三次礦產區劃工作，給國家的地質科學研究和礦產勘查累積了大量資料和技術，并豐富我國礦種的開發形式。在這三次工作中我們不難發現礦產區劃工作是集基礎性、公益性、科研性、先導性于一體的礦產勘查前期工作，而區域成礦學是礦產區劃的指導理論、實施礦產區劃的科學依據，礦產區劃成果一般直接用于部署礦產勘查工作。礦產區劃工作作為一種地質礦產勘探工作，是國家發展地質學、礦產開采的基礎，是提高礦產挖掘工作效率，提升礦產出產量的做法，值得大力推廣。

[1]陳鄭輝，王登紅，盛繼福，應立娟，梁婷，王成輝，劉麗君，王永磊．2015．中國錫礦成礦規律概要．地質學報，89（6）：1026-1037．

[2]蔡煜琦，張金帶，李子穎，郭慶銀，宋繼葉，范洪海，劉武生，漆富成，張明林．2015．中國鈾礦資源特征及成礦規律概要．地質學報，89（6）：1051-1069