鈦合金與鋁合金異種金屬釬焊的研究進展

劉陽，張貴鋒，張建勛

（西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室 焊接研究所，西安 710049）

鈦合金由于具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能優異、高溫強度及低溫韌性良好等優點[1]，在航空航天、船舶制造以及石油化工等領域被廣泛應用[2]。但鈦合金的彈性模量較低、抗蠕變性能差、焊接性能和加工性能較差，且價格昂貴，使得單一鈦合金很難滿足實際工況下對材料綜合性能的要求，因此其在國防工業中的應用往往受到限制[3—7]。鋁合金是一種最常用的結構材料，具有密度低、比強度高、熱導率高、耐腐蝕性能和加工性能良好，且成本也相對較低等優點，但其強度遠不及鈦合金。鈦合金和鋁合金組成的鈦/鋁復合構件同時具備兩種金屬在各自使用性能和經濟性上的優勢，如比強度高、質量輕、成本低和耐蝕性好等，可最大限度發揮兩種材料的特性，在航空發動機、飛機結構設計、汽車制造、武器裝備等領域有著廣泛的應用前景。

1 鈦合金/鋁合金的焊接性分析

鈦合金與鋁合金由于理化性能的差異，目前在焊接方面存在著很多困難。首先，鈦合金和鋁合金熔點相差較大，而且鈦在鋁中的溶解度很小，采用熔焊時會使鋁合金中的部分低熔點元素燒損蒸發，并形成大量Ti-Al 脆性金屬間化合物（Ti3Al,TiAl3,TiAl,Ti2A15等），嚴重影響接頭力學性能。其次，鈦和鋁在線膨脹系數、熱導率等物理性能上均存在較大差異，導致兩種金屬在加熱和冷卻過程中的變形能力不同，焊后接頭內存在較大殘余應力，焊縫易產生裂紋。此外，鋁和鈦的化學活性均較強，易形成氧化膜，降低潤濕性。鈦在高溫下還極易與氧、氮和氫元素發生吸氣反應。為避免吸氣反應，防止鋁合金和焊縫氧化，在焊接時需處在真空下或外加氬氣保護，因此，要成功實現鈦合金與鋁合金的連接，獲得性能優良的接頭，必須采取合適的焊接方法和焊接工藝，以降低接頭內應力并減少界面脆性相的形成。目前，國內外鋁/鈦異種金屬采用的焊接方法大致分為3 大類：壓力焊、熔化焊和釬焊，其中壓力焊包括爆炸焊[8—9]、摩擦焊[10—12]和擴散焊[13—15]。由于鈦和鋁之間的固溶度比較低，所以熔化焊方面的研究較少，而大多數采用的是釬焊。文中將對鈦合金與鋁合金異種金屬釬焊進展進行綜述，主要探討焊接過程中釬料組成和工藝對釬焊質量的影響。

2 國內外釬焊研究現狀

一般情況下，在真空或惰性氣體保護下，采用合適的焊接工藝可以解決Ti/Al 異種金屬焊接的合金元素缺失、高溫氧化、氣孔和裂紋等缺陷，但是無法徹底解決脆性金屬間化合物的產生問題，因此，抑制脆性金屬間化合物的形成仍是Ti/Al 異種金屬焊接的主要研究方向。Ti/Al 釬焊過程中由于溫度低于母材熔點，因此可限制金屬間化合物的生成，較好地實現對界面反應的控制。下面將以釬料基體分類，綜述鈦/鋁釬焊的研究現狀。

2.1 鋁基釬料

從目前的研究來看，Al 基釬料在真空、保護氣氛或非真空外加輔助措施條件下對鈦合金和鋁合金都有良好的潤濕性，但接頭強度仍有待提高，金屬間化合物較厚的問題需要通過優化釬料成分和焊接工藝進一步改善。

T.Takemoto 等[16—19]于1988年便開始對鈦合金和鋁合金的釬焊進行研究。他們在600～620℃的真空條件下，使用Al-30Ag-10Cu,Al-10Cu-8Sn,Al-10Si-1Mg 釬料對純鈦和純鋁進行了釬焊實驗。實驗結果表明，在同等焊接條件下，使用 Al-30Ag-10Cu 和Al-10Cu-8Sn 釬料時都在鈦側界面形成TiAl3金屬間化合物，并分別形成了少量的Ag2Al 和CuAl2相，接頭的斷裂位置在界面化合物層內，拉伸強度僅有38 MPa。當使用Al-10Si-1Mg 釬料時，形成的金屬間化合物相為Ti7Al5Si12，接頭斷裂于釬料位置，拉伸強度提高到了70 MPa。之后，T.Takemoto 等[20]又研究了Si 元素對接頭微觀組織的影響，發現Si 元素可顯著減小界面反應層厚度，而且隨著Si 元素含量變化，金屬間化合物成分也會發生變化。在680℃保溫3 min 的條件下，使用純Al 釬料時的界面反應層為TiAl3相，厚度最高達13.3 μm；當Si 元素的質量分數不高于0.8%時，界面反應層仍為TiAl3相，但厚度降低到了2.6 μm；當Si 的質量分數增加到3%～10%時，界面反應層出現了新相Ti7Al5Si12。分析認為當Si 元素含量較少時，Si 元素固溶于TiAl3中，并抑制TiAl3的生長，減小TiAl3層厚度。當Si 元素含量超過TiAl3固溶度時，便會生成新相Ti7Al5Si12，并由于界面金屬間化合物的差異而導致不同的接頭強度。隨后，Fuji A 等[10]的研究也同樣證明了這種現象，他們在使用摩擦焊焊接純鈦與純鋁及Al-Si 系合金時同樣發現鋁合金中的Si 元素會大量的在界面處聚集，抑制TiAl3相形成，阻礙Ti 和Al 原子的相互擴散。國內Chen 等[21]利用超聲輔助技術，在使用Al-12Si 釬料對TC4 和Al1060 進行釬焊連接研究時同樣發現金屬間化合物的形成和生長受到硅擴散控制，研究同時發現利用超聲輔助可以破碎母材基體表面氧化物，改善焊縫微觀組織，接頭抗剪強度可達68 MPa。

除了對Si 元素在Ti/Al 接頭中作用的研究，其他學者也嘗試在Al-Si 釬料中添加其他元素以改善釬焊性能。Chang 等[22]在Al-Si 釬料基礎上配置了Al-8.4Si-20Cu-10Ge 和Al-8.4Si-20Cu-10Ge-0.1Re 釬料，并對TC4/6061 接頭在高純氬氣保護下進行了釬焊實驗。實驗結果表明，在Al-12Si 釬料中加入質量分數為20%的Cu 和10%的Ge 時，釬料的液相線溫度從592℃降到了513℃。在加入Cu 和Ge 后，添加質量分數為0.1%的稀土元素可顯著細化富Al 相，將針狀Al2Cu 轉變成塊狀（如圖1a 和1b 所示），同時改善界面結合，提高TC4/6061 接頭強度。采用Al-8.4Si-20Cu-10Ge 和 Al-8.4Si-20Cu-10Ge-0.1Re 釬 料 在530℃條件下得到的釬焊接頭平均抗剪強度分別為20 MPa 和51 MPa。

圖1 TC4/6061 釬焊界面微觀組織（530℃-60 min）[22]Fig.1 Microstructure of TC4/6061 brazing interface(530℃-60 min)

康慧等[23—25]在Al-Si 釬料的基礎上添加了不同含量的Sn 和Ga 元素，制備出Al-Si-Sn-Ga 多元合金釬料，并對TC4 與LF21 進行了真空釬焊實驗，研究兩種元素對界面處金屬間化合物的影響。實驗結果表明，少量Ga 元素的加入，可有效提高接頭處金屬間化合物周圍電子云密度，減少共價鍵成分，提高位錯的可動性，從而減小脆性，提高接頭強度。加入Sn元素可以使釬料鋪展能力得到提高，并且在加入Ga元素的基礎上同時加入Sn 元素，可改善金屬間化合物脆性，較單加Ga 元素接頭力學性能得到更高的提升。通過正交試驗，康慧等發現以Al-11.5Si 近共晶合金為基，加入質量分數為10%的Sn 和0.2%的Ga時可以獲得綜合性能較好的釬料，剪切強度可達65～70 MPa。

呂世雄等[26—27]利用TIG 熱源，分別研究填充純鋁、Al-Cu-La、Al-Cu-Zr 焊絲對TC4 和Al5A06 熔釬焊連接的影響。研究發現，填充Al-Cu-La 焊絲會在TiAl3化合物層與釬焊反應層之間生成 TiAl3＋Ti2Al20La 雙化合物層，該化合物能夠降低反應層的硬度，提高接頭強度。在焊絲中添加Zr 元素可以提高焊絲熔化時在TC4 母材表面的鋪展能力。能量較小時，接頭反應界面為厚度2～4 μm 的TiAl3化合物層；當能量較大時，反應層由TiAl3+L-(Ti,Zr)Al3+H-(Ti,Zr)Al3多層化合物組成，表明Zr 元素的作用依賴于能量輸入大小。采用Al-Cu-Zr 焊絲時獲得的接頭抗拉強度比填充純鋁要大，可達284 MPa。

除了直接焊接，還有一種是在焊接前先在鈦合金表面鍍鋁的間接焊接方法。這種方法將Ti/Al 的連接問題轉化為Al/Al 連接，為Ti/Al 的焊接提供了新思路。徐永強[28]采用鍍鋁TC4 與LF21 異種金屬的高頻感應釬焊工藝，深入研究了有無鍍層對釬焊界面化合物層厚度、形態、分布及物相結構的影響。研究表明，無鍍層條件下，釬焊接頭界面反應層呈層狀、針狀、桿狀、鋸齒狀等多種形態和多相結構，而鍍層作用下界面反應層呈現均勻的薄層狀和細小針狀。原浸鍍反應層TiAl3的存在及Si 元素的擴散作用使界面反應層生成薄層狀Ti(Al,Si)3和細小針狀Ti7Al5Si12雙相結構，阻礙了反應層生長，使界面反應層厚度變薄，釬焊接頭抗剪載荷及抗變形能力較無鍍層時提高。

通過上述文獻可以看出，對Ti/Al 釬焊而言，Si元素對抑制Ti-Al 系金屬間化合物和提高接頭力學性能方面的作用不可或缺，是對Ti-Al 系化合物影響最大的元素，因此Al 基釬料的重點也就集中在了Al-Si系釬料上。在Al-Si 系釬料的基礎上，添加其他元素可對釬料的某些性能進行改善，如添加適量的Sn 和Ga 元素可改善金屬間化合物的脆性；Cu 和Ge 元素則能有效降低釬料熔點；Zr 元素可改善釬料的鋪展性；稀土元素可細化或改變部分脆性相的形狀，降低反應層的硬度，改善界面結合，提高接頭強度。此外，采用在鈦合金表面預鍍鋁可有效改善金屬間化合物的生成和形狀，提高接頭力學性能。目前，使用Al基釬料所得的Ti/Al 接頭力學性能仍有待提高，直接釬焊條件下，接頭剪切強度普遍在70 MPa 左右。

2.2 鋅基釬料

現有研究中，暫未發現使用Zn 基釬料對Ti/Al接頭進行直接釬焊的報道，推測與Zn 基釬料難以去除鈦合金表面氧化膜、對鈦合金潤濕較差有關。對Zn 基釬料的研究比鋁基釬料少，而且焊接主要重點已從釬料成分配方轉移到焊接工藝、設備和方式方法上。目前，采用Zn 基釬料焊接Ti/Al 接頭在目前的研究報道中有兩種方法，一種是在鈦合金表面預先涂覆鋁及鋁合金，再進行焊接的間接方法；另一種方法則采用了攪拌摩擦釬焊（FSB）這種新型焊接方式對Ti/Al 接頭進行直接焊接。這兩種方法都進一步降低焊接溫度，減少金屬間化合物的生成，獲得了不錯的焊接結果，下面將對這兩種釬焊方法進行描述。

2.2.1 鈦表面預制鋁層釬焊

馬志鵬等[29]采用Zn-Al-Cu-Si 釬料在非真空條件下對TC4 和2A12 使用直接超聲釬焊工藝和超聲預涂覆釬焊工藝進行了釬焊實驗。實驗結果表明，在420℃直接超聲釬焊時，施加超聲振動5 s 可以將2A12 表面的氧化膜去除，形成良好的冶金連接，但是不能去除TC4 表面的氧化膜，釬焊接頭TC4 側有明顯的縫隙，抗剪強度僅有16 MPa。而在采用超聲預涂覆釬焊工藝時，先在600～800℃內在TC4 表面制備純鋁層，然后將TC4 放入在釬料池在200～650℃超聲處理1～60 s，最后在420℃施加超聲振動5 s 釬焊后，TC4表面氧化膜去除并生成兩層金屬間化合物 TiAl3和Ti-Al-Si 相，接頭抗剪強度可達120～141 MPa。圖2為采用超聲預涂覆釬焊工藝獲得的接頭微觀組織。

圖2 使用超聲預涂覆釬焊工藝所得釬焊接頭組織[29]Fig.2 Microstructure of brazed joint obtained with ultrasonic pre-coating brazing process

超聲預涂覆釬焊方法雖然獲得較好的結果，但該方法只能針對特定的材料尺寸進行焊接，且普遍設備昂貴，因此馬志鵬等[30]又使用了一種操作方便的非真空刮涂釬焊方法，利用純鋁中間層和Zn-Al 釬料實現了TC4 鈦合金和2A12 鋁合金連接。刮涂釬焊是首先在600～900℃內，讓鈦合金與純鋁反應，反應時間為30 s～60 min。其次TC4 與2A12 搭接在一起釬焊，試驗溫度為420℃，釬料熔化后，利用工具在焊縫內刮涂30～50 s，最后完成焊接。實驗結果表明，TC4 和2A12 的接頭成形良好，TC4 側界面產物僅有TiAl3金屬間化合物（如圖3 所示），且化合物層厚度隨著TC4 與純鋁反應時間的延長而增厚。拉伸時Ti/Al 接頭均斷裂于釬料中，最高抗拉強度可達到201 MPa。

圖3 TC4 與純鋁反應2 min 釬焊接頭中TC4側界面形貌[30]Fig.3 Microstructure of TC4 interface after TC4 reacted with pure aluminum for 2 min

邱花等[31]使用Zn-3Cu-Si 釬料，利用現代超聲輔助焊接方式對表面預鍍純鋁的鈦合金和鋁合金進行釬焊實驗。實驗結果表明，使用超聲振動釬焊法可以對鈦合金和鋁合金進行有效金屬焊接。通過微觀組織觀測可以發現，焊縫中出現Zn-Al 固溶體，Si 顆粒完全與焊縫金屬結合，同時保持原有的規格尺寸。鈦合金浸入液態鋁時會在表面產生鈦化鋁顆粒，平均厚度在3 μm 左右，焊接時不會產生異常變化，最后保留在焊縫中。焊縫接頭最大抗剪強度可達180 MPa。

2.2.2 攪拌摩擦釬焊（FSB）

傳統釬焊方法中Zn 釬料不能直接用于Al/Ti 異種金屬的釬焊，必須焊前在Ti 表面進行鍍、涂預處理。但是，采用由西安交通大學張貴鋒等發明的攪拌摩擦釬焊（FSB，friction stir brazing）方法可直接采用Zn 釬料進行Ti/Al 的攪拌摩擦釬焊，焊前并不需要對Ti 表面進行預處理。

西安交通大學張貴鋒等發明的攪拌摩擦釬焊[12]采用無針軸肩的摩擦熱作為熱源，同時利用旋轉軸肩對界面的擠壓、扭轉機械作用，使得FSB 具有優異的機械破膜和共晶反應排出氧化膜的優點，通過去膜-潤濕-擠出-擴散系列反應形成可靠接頭，他們采用去膜能力優異的FSB 新型焊接方法對2 mm 薄板Al/Ti 散熱器進行了焊接實驗，對比研究了有無Zn 釬料對焊接的界面的影響。研究結果表明，無釬料時鋁鈦焊接板斷裂位置位于鋁鈦界面處，拉伸強度低；加入Zn 釬料后，通過膜下溶解能有效去除鋁母材處的氧化膜，且界面致密，未觀察到明顯的金屬間化合物（如圖4 所示），在375 mm/min 的焊速下獲得了斷裂于鋁母材的良好接頭，焊后鋁材載荷能達到純鋁載荷的73.4%。

圖4 界面中心區組織照片（375 mm/min）[12]Fig.4 SEM micrographs of interface center (375 mm/min)

上述兩種采用鋅基釬料的釬焊方式各有優勢，如預制鋁層這種方法的優勢在于將Ti/Al 焊接轉變為了Al/Al 焊接，在滿足并改善鈦側界面結合的同時降低了對釬料的元素組成和焊接溫度的要求，并且能獲得力學性能較好的接頭，最高剪切強度可達141 MPa。但該方法增加了焊接工序和設備，成本較高，且操作相對困難，不能適應大面積焊接。相比而言，FSB 焊接過程中無需氣體保護，操作難度小，焊接速率高，具有高效、經濟的明顯優勢。目前，雖然FSB 的相關研究較少，但卻值得重視和深入探索。

2.3 錫基釬料

Sn 基釬料對鈦合金和鋁合金的潤濕性較差，暫無使用Sn 基釬料對Ti/Al 接頭直接進行釬焊的報道。目前主要采用的焊接方法為先在鈦合金和鋁合金母材表面沉積Cu，再進行擴散連接，所得接頭強度多在40 MPa 左右。

Alhazaa 等[32]以電化學沉積法在TC4 和Al7075表面沉積銅后使用Sn-3.6Ag-1Cu 箔進行了擴散焊。試驗結果表明，Cu 層可抑制Al7075 表面氧化膜的形成，并提高釬料對兩種母材表面的潤濕性；Ag 和Cu元素向鋁側擴散，而Sn 元素則同時向鋁側和鈦側擴散，元素擴散導致界面處形成了 Al2Cu,CuSn3Ti5,Ti3Sn,Mg2Sn,Sn3Ti5等多種金屬間化合物。最終接頭斷裂于界面金屬間化合物區域處，最高抗剪強度為42.3 MPa。

Kenevisi 等[33]在TC4 和Al7075 表面電化學沉積Cu 后使用Sn-10Zn-3.5Bi 釬料進行TLP 連接。實驗結果表明，Ti,Al,Sn,Zn,Cu 等元素的擴散導致接頭中形成Al2Cu,Mg2Sn,Cu3Ti2,TiAl,Ti3Al,Sn3Ti5等多種金屬間化合物，進而使界面處產生冶金結合；隨著焊接時間增加，金屬間化合物的生成會導致接合界面的硬度增加。圖5 為焊接溫度500℃、保溫15 min時接頭界面微觀形貌。此外，Kenevisi 等[34]在相同工藝條件下使用Sn-4Ag-3.5Bi 對Ti/Al 接頭進行TLP 連接實驗時，發現在該實驗條件下隨著焊接時間的增加，接頭結合強度會隨之增加，但在75 min 時接頭強度發生下降，分析認為是金屬間化合物的生長和晶粒粗化所致。接頭強度隨焊接時間變化規律如圖6所示。

圖5 TC4/Al7075 擴散焊接頭界面微觀形貌（500℃-15 min）[33]Fig.5 SEM micrographs of TC4/Al7075 diffusion welding joint interface (500℃-15 min)

圖6 擴散焊接頭強度隨連接時間變化規律[34]Fig.6 Diffusion welding joint strength varying with bonding time

2.4 銅基釬料

Ti/Al 接頭使用Cu 基釬料進行焊接的方法目前主要為擴散焊，且使用的銅基釬料主要為純Cu 箔，所得接頭力學性能低于相同實驗條件下使用Al 基釬料的Ti/Al 接頭。

國內學者曲文卿等[35]采用純Cu 釬料對TC4 和LF21 進行了真空釬焊實驗。實驗結果表明，純Cu釬料連接鈦合金與鋁合金主要依賴于Cu 與Al 首先發生共晶液相，然后再潤濕鈦合金，最后形成有效連接。但由于Cu 與A1 元素的共晶反應使母材LF21 發生了嚴重的熔蝕，因此盡管接頭斷裂于母材上，接頭的性能仍要低于實驗中使用到的另外兩種Al 基釬料，平均接頭性能為96.6 MPa。

AlHazaa 等[36]采用22 μm 厚的銅箔作中間層進行了TC4 和Al7075 的TLP 連接。實驗結果表明，焊接溫度為500℃，保溫時間為5～15 min 時，焊縫中仍保留一層較厚的富Cu 中間層；當保溫時間增加至30 min 時，富Cu 中間層消失，等溫凝固形成了冶金結合，接頭內形成了較大的擴散過渡區。Cu 元素在向Al7075 擴散過程中形成了θ(Al2Cu),T(Al2Mg3Zn3)和Al13Fe 等3 種共晶液相，向TC4 擴散形成了Cu3Ti2相。接頭整體形貌如圖7 所示。隨著保溫時間的延長，擴散過渡區趨于均勻化，硬度有所降低。接頭力學性能測試均斷裂于Cu/Ti 界面處，當保溫時間為30 min時，接頭的結合強度最高，為19.5 MPa。

圖7 銅中間層TLP 連接TC4/Al7075 接頭形貌（500℃-30 min）[36]Fig.7 TC4/Al7075 joint structure of middle copper layer TLP connection (500℃-30 min)

3 結論與展望

總體上，鈦合金與鋁合金的連接由于異種金屬之間理化性能的差異巨大，采用常規焊接方法容易在界面形成大量的脆性金屬間化合物，嚴重影響焊接接頭力學性能。而通過釬焊來連接鈦合金與鋁合金在焊接接頭質量、精度方面具有一定優勢，但依然存在焊接接頭脆性大和強度低等很多問題，主要原因為脆性金屬間化合物的生成難以避免，因此，主要解決辦法是從釬料的成分設計出發，輔助釬焊工藝和設備的改進。對于鋁基釬料，主要以添加適量Si 元素來減少Al-Ti 系金屬間化合物的生成，同時輔以適量的Ga、稀土元素等改善金屬間化合物的脆性以提高接頭力學性能。同時，也可以采用鈦合金表面預置鋁層的工藝方法，并以超聲設備輔助，可以有效破除母材表面氧化膜，配以鋅基釬料，還可進一步降低焊接溫度，減少金屬間化合物生成，有效提高接頭強度。但這種方法增加了額外的焊接流程和設備，在操作性和經濟性方面處于劣勢，而且鈦合金在熱浸鋁時浸鋁層的厚度較難控制，對要求高平行度的焊接結構件難以實現。錫基和銅基釬料國內外學者各有涉及，雖然保持了較低的焊接溫度，但總體上接頭強度不高，且焊接流程復雜或時間較長，實用價值較小。目前，在Ti/Al接頭的釬焊報道中，馬志鵬等[29—30]使用Zn 基釬料獲得的接頭力學性能最好，剪切強度可達141 MPa；Al基釬料的相關研究較多，但接頭剪切強度普遍在70 MPa 左右；使用Sn 基和Cu 基釬料的接頭力學性能較低，使用Sn 基釬料的接頭剪切強度在40 MPa左右，而使用Cu 基釬料曲文卿等[35]獲得的平均接頭性能為96.6 MPa，低于相同實驗條件下使用Al 基釬料獲得的接頭強度。另外，目前其他的焊接方法如攪拌摩擦釬焊（FSB）等在鈦合金與鋁合金的連接方面也顯示出了獨特的優勢和應用前景，因此關于鈦合金與鋁合金的連接技術研究還有待深入發掘。