Ti/Al異種材料搭接焊的研究現狀

張 哲

（沈陽航空航天大學 航空航天工程學部,沈陽 110136）

Ti/Al異種材料搭接焊的研究現狀

張 哲

（沈陽航空航天大學 航空航天工程學部,沈陽 110136）

本文對Ti/Al異種材料搭接焊的研究現狀進行了綜述，分類介紹了釬焊、熔纖焊和固相焊的應用，詳細分析了各個焊接方法在Ti/Al搭接接頭應用中的優劣，展望了Ti/Al搭接接頭的工程應用前景。

Ti/Al；異種材料；搭接焊

1 序言

鈦合金由于其高強度、耐腐蝕性、良好的疲勞壽命，被廣泛應用于航空航天制造業[1]，但是由于成本控制等原因，限制了其在實際工程中的應用。為了使鈦合金的應用達到高性能、低重量和成本控制的設計需求[2]，國內外學者提出將低比重且價格低廉的鋁合金與鈦合金組成復合結構應用到產品中，例如在飛機機艙散熱片、機翼蜂窩夾層、座位導軌和高速列車車廂等[3]。在這樣的前提下，Ti/Al異種材料的焊接問題亟需被解決。

而在實際工程中，搭接接頭也是一種常見的接頭形式，因此Ti/Al異種材料搭接焊的研究也非常必要。Ti/Al的傳統熔化焊過程中，其接頭內部會因母材熔化而產生大量的脆性金屬間化合物（Intermetallic Compound, IMC），故而Ti/Al的傳統融化焊已逐漸被淘汰。目前被應用于Ti/Al搭接接頭的焊接方法主要分為釬焊、熔釬焊和固相焊三個大類。本文對國內外Ti/Al異種材料搭接焊的研究現狀進行了較為詳細的綜述，為學者及工程師們提供了更為簡明實用的參考，同時對于Ti/Al搭接接頭的工程推廣起到了一定的積極意義。

2 Ti/Al釬焊搭接的研究現狀

釬焊是現代工業中技術比較成熟的一種焊接技術，由于其焊接溫度往往低于母材熔點，進而可以減少金屬間化合物的產生，所以其對于異種材料的焊接具有一定的優勢。目前對Ti/Al釬焊搭接的研究主要分為釬料中添加元素[4,5]和添加中間層[6]兩種。日本學者Takemoto等人[4]早在1998年就進行了Ti/Al釬焊搭接的研究，得出了鋁基釬料中添加Si元素可以有效減小IMC層厚度的結論。中國臺灣學者Chang[5]等人在6061鋁合金和TC4鈦合金釬焊搭接中使用了添加混合稀土元素的釬料。焊后發現，添加0.1wt.%稀土元素接頭的拉剪強度比未添加接頭高出一倍。東北石油大學學者馬志鵬等人[6]在用Zn-Al釬料對TC4鈦合金和2A12鋁合金的釬焊搭接中，在搭接界面添加了純鋁中間層，并得到了成分僅為TiAl3的IMC層，且強度達到了201MPa。上述研究通過工藝的改進提升了接頭性能，但還遠達到工程應用的要求。此外，釬焊工藝難以焊接結構復雜或大尺寸工件的缺點也限制了其應用。

3 Ti/Al熔-釬焊搭接的研究現狀

熔釬焊是一種在釬焊基礎上衍生出的焊接技術，常用來焊接熔點具有一定差異的異種材料。Ti/Al搭接接頭的熔釬焊原理是熔點較低的母材以及釬料產生液相，熔融的低熔點材料在高熔點材料表面潤濕、鋪展，從而實現焊接。目前用于Ti/Al異種材料搭接的主要分為電弧熔釬焊和激光熔釬焊兩種。

Ti/Al搭接接頭的電弧熔釬焊，是將重當釬料的填充焊絲及焊縫區域的鋁合金母材融化，其后熔融狀態的混合液態鋁在鈦合金母材表面鋪展潤濕，最終完成釬焊連接。重慶大學學者Wang等人[7]用TIG釬焊技術對5052鋁合金和TC4鈦合金進行了搭接試驗。焊接過程中在焊縫區域的兩種母材之前添加了鋅箔片，并證明了鋅箔片的添加可以改善液態釬料的鋪展能力，接頭的拉剪強度也達到了一個鋁合金母材的80%。由于Ti/Al焊接的電弧熔釬焊裝置廉價且技術可借鑒傳統電弧焊，故其在工程應用中具有一定的發展潛力[8]。

與電弧熔釬焊單一的接頭形式不同，激光熔釬焊可以焊接鋁上和鈦上兩種形式Ti/Al搭接接頭。其中，鋁上接頭的原理與電弧熔釬焊的原理類似，區別是其熱源改變為激光產生并可以實現無釬料焊接。法國學者Peyre等人[9]用5754鋁合金和T40鈦合金研究了鋁上結構的激光熔釬焊搭接接頭，并在特定工藝范圍內得到了穩定力學性能，且斷裂在界面處的TiAl3層。鈦上接頭的原理是激光作用在作為上板的鈦合金表面，然后熱量通過上板傳導至與其接觸的鋁合金，靠近界面的鋁合金達到熔融狀態，并在外置壓力的作用下，在鈦合金下表面鋪展潤濕，實現釬焊連接。德國學者Wagner等人[10]在2001年首先使用激光熔釬焊對鈦上鋁下搭接接頭進行了焊接，試驗材料為TC4鈦合金和Al-0.4Mg-1.2Si鋁合金。結果顯示，在一定的工藝參數下，接頭界面處產生了穩定的IMC層，拉剪強度達到了220MPa。激光熔纖焊的優點在于熱輸入的穩定性以及精準性，這可以更準確的控制IMC的產生，進而穩定提高接頭的強度。但是，激光設備高昂的造價及后期維護成本，使得其工程推廣收到了一定的限制。

4 Ti/Al固相焊搭接的研究現狀

固相焊的焊接溫度在通常情況下低于母材的熔點，這可以避免異種材料焊接中很多材料熔化帶來的缺陷，特別是對于Ti、Al這兩種熔點相差較大的材料。目前應用于Ti/Al異種材料搭接的固相焊主要為擴散焊、爆炸焊和攪拌摩擦焊等。

擴散焊是一種傳統的固相焊接方法，適用于管材和板材的焊接。目前對于Ti/Al搭接接頭擴散焊的研究主要分為無中間層[11]、母材表面鍍層[13]以及添加中間層[14]三種。清華大學學者姚為等人[11]在無中間層的情況下對TA2純鈦和L4工業純鋁進行了擴散焊接，得到了IMC層中僅含有TiAl3的接頭，且可強度超過L4工業純鋁母材。山東大學學者李亞江等人[12]采用了鈦表面滲鋁的方法實現了對TA2工業純鈦和L4工業純鋁的擴散連接。結果顯示，鈦母材上的過渡區和滲鋁層生成了TiAl和TiAl3兩種IMC。加拿大學者AlHazaa等人[13]用22μm的Cu片作為中間層對TC4鈦合金和7075鋁合金進行了擴散焊接，接頭內部的Cu中間層在加熱時間30min時消失，呈現一個較大的擴散區。目前Ti/Al搭接接頭的擴散焊還處于機理研究的階段，距離工程應用還有很長一段距離。另外，擴散焊技術本身的自動化程度較低也是限制其發展的一個重要因素。

爆炸焊是一種特殊的固相焊接方法，通常被用于制備金屬復合板。目前對于Ti/Al爆炸焊搭接的研究分為制備多層Ti/Al復合板[15]和鈦上鋁下結構的Ti/Al搭接[16]。制備多層Ti/Al復合板通常要在最上層放置鋼制驅動板（driven plate），并在驅動板上放置炸藥。俄羅斯學者Lazurenko等人[15]在2016年通過爆炸焊制備了40層的Ti/Al復合板，焊后通過加壓熱處理，Ti/Al界面生成了穩定的TiAl3層。鈦上鋁下結構的Ti/Al搭接則是將鈦合金作為覆板，并將炸藥放置在其上。波蘭學者Fronczek等人[16]用爆炸焊對Ti Gr.2鈦合金和1050鋁合金進行搭接試驗，在接頭界面發現了TiAl3、TiAl2、TiAl和Ti3Al四種IMC。后通過退火處理，界面產生了一層連續的TiAl3層。目前，爆炸焊制備Ti/Al復合板的技術已經非常成熟，也已應用到實際工程中。而在Ti/Al的爆炸焊搭接中，巨大沖擊力會導致接頭變形嚴重，且焊后必須要進行的熱處理影響了生產效率。

攪拌摩擦焊是一種新型固相焊技術，其不僅具有常規固相焊的一系列優勢，還具有自動化程度高、無污染等優點。目前對于Ti/Al攪拌摩擦焊搭接研究，主要是針對鋁上鈦下結構的焊接。日本學者Chen等人[17]對4mm厚的ADC12鑄造鋁合金和2mm厚的純鈦進行攪拌摩擦焊搭接，采用針長3.9mm的攪拌頭。焊后，在接頭界面發現了TiAl3新相，其拉剪強度也達到鋁合金母材的62%。西北工業大學學者Wei等人[18]采用一種帶有特殊攪拌針（cutting pin）的攪拌頭對3mm厚的1060純鋁和TC4鈦合金進行了攪拌摩擦焊搭接，攪拌針長度也僅為3.2mm，最終得到了拉剪強度大于1060純鋁母材的接頭。新西蘭學者Chen等人嘗試了對 6mm厚6060鋁合金和2.5mm厚TC4鈦合金的攪拌摩擦焊搭接，并采用針長6mm的攪拌頭，在界面處形成了一層極薄（小于250nm）且強度極高的IMC層。采用極小的下板扎入量是國內外學者最常用的方案，并以此獲得了一定的成果。盡管如此，關于Ti/Al攪拌摩擦焊搭接的研究還是較少，鈦上鋁下結構的研究也還未涉及。

5 展望

隨著我國工業的發展，Ti/Al異種材料搭接接頭在航空航天、交通運輸等領域的應用將會越來越廣泛。目前對于Ti/Al搭接焊的主要研究是通過工藝或裝置的改進控制接頭內部IMC的生成，進而達到穩定提升接頭性能的目的。雖然目前大部分Ti/Al搭接焊技術還遠達不到工程應用的標準，但是文中所述的研究都提供了明顯的方向性，也顯示了其應用的前景。在不久的將來，Ti/Al搭接焊一定能在工程應用發揮重要作用。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.004