TiAl合金與置氫0.5% TC4鈦合金的擴散焊接工藝

范龍，何鵬

(1.黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004;2.哈爾濱工業大學,現代焊接生產技術國家重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 前言

TiAl合金具有低密度、高比強度、耐高溫及優良的耐磨性等優點，越來越多的應用于汽車發動機及航空發動機的部件，在航空高溫結構材料領域，TiAl合金也是目前重要的備選材料[1]。但是，TiAl合金焊接時存在焊接熱裂傾向嚴重，焊縫與經過熱機械處理等工藝得到的基體組織不同導致的力學性能下降的問題[2-7]。因此，選擇合適的焊接工藝解決TiAl合金的焊接問題是其在工程中能夠成功應用的前提。周媛等人[8]采用直接擴散焊和加Ti-Zr-Cu-Ni中間層的方法進行了TiAl合金和高溫合金擴散焊接，在1 208 K/3 MPa/1 h的工藝參數下，得到了與兩側母材結合良好的無缺陷擴散焊接頭。何鵬等人[9]采用鈦作為中間層，對TiAl合金與GH99進了擴散焊接，在1 173 K/20 MPa/30 min工藝參數下，連接接頭的抗剪強度最高為260.7 MPa。但文獻研究表明過高的焊接溫度會導致TiAl合金母材各項性能的下降，不利于實際應用。

為進一步降低TiAl合金擴散焊接時的焊接溫度，文中采用置氫0.5% TC4鈦合金對TiAl合金進行了擴散焊接試驗，研究了工藝參數對焊后接頭的界面相組成和抗剪性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗使用的是經熱等靜壓處理后的TiAl合金，該合金由α2-Ti3Al與γ-TiAl雙相組織構成。置氫0.5%的TC4鈦合金置氫處理過程在管式氫處理爐內進行，采用的是高溫氣相充氫的方法，氫含量由置氫前后的重量差測得。使用電火花線切割設備將TiAl合金加工為16 mm×16 mm×2 mm，將置氫TC4鈦合金加工為16 mm×16 mm×2 mm的接頭界面觀察試樣和16 mm×6 mm×2 mm的抗剪強度測試試樣。TiAl合金和置氫TC4鈦合金的擴散焊接在輻射加熱真空爐(真空度為1×10-4Pa)中進行。擴散焊接后的接頭使用砂紙打磨、拋光、腐蝕后，使用X射線衍射分析儀和能譜分析儀分析界面及斷口的相構成。接頭的強度測試在INSTRON1186電子萬能試驗機上進行，變形速度為2 mm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 TiAl合金直接擴散焊接

圖1所示為在不同焊接工藝參數下TiAl合金直接擴散焊接接頭界面。從圖1a和圖1b中可以看出擴散焊接接頭明顯存在孔洞，當焊接溫度升高后，界面孔洞數量明顯減少。相關試驗結果表明，隨著擴散焊接連接時間的增加和焊接壓力的加大，擴散焊接界面的孔洞同樣呈現減少的趨勢。當工藝參數為1 473 K/60 min/30 MPa時，擴散焊接界面所有孔隙全部消失，界面兩側母材組織生長已貫穿焊縫，界面原子擴散較為充分，連接界面形成完好的焊縫。對此工藝參數下得到的試件進行了抗剪強度試驗，接頭平均抗剪強度可達285 MPa。

圖1 TiAl合金直接擴散焊接接頭界面

2.2 置氫0.5% TC4鈦合金與TiAl合金的擴散焊接

圖2為不同焊接工藝參數下置氫0.5% TC4鈦合金與TiAl合金的擴散焊接接頭界面。由圖可知，置氫0.5% TC4鈦合金與TiAl合金在1 073 K及其以下溫度擴散焊接時，接頭界面仍有部分孔隙存在，界面處沒有生成完好無缺陷的反應層；當焊接溫度為1 123 K，而連接時間少于15 min或焊接壓力小于15 MPa時，接頭界面仍有少量的孔洞存在；當焊接溫度的逐步升高時，連接界面處的孔洞尺寸漸漸變小，孔洞數量也隨之減少。當焊接溫度達到1 123 K，連接時間不少于15 min及焊接壓力不小于15 MPa時，置氫0.5% TC4鈦合金與TiAl合金擴散焊接接頭處產生完好的反應層，反應層的厚度隨著焊接的溫度、時間和壓力的升高而逐步增大。

圖2 置氫0.5% TC4鈦合金與TiAl合金的擴散焊接界面

圖3為焊接工藝參數為1 123 K/30 min/15 MPa時，接頭界面形貌及元素線掃描分析圖。由圖可知，接頭區域自置氫0.5% TC4鈦合金至TiAl合金，Ti元素的含有量逐漸降低，Al元素的含量逐漸升高，并且兩種元素變化較為均勻，沒有大的突變；V元素則向接頭靠近母材兩側的部分聚集。這說明在此連接工藝下，接頭內部Ti，Al和V元素都進行了充分擴散，有利于生成較好的反應層。

圖3 接頭界面元素分布(T = 1 123 K, t = 30 min,

P= 15 MPa)

圖4為焊接溫度、連接時間和焊接壓力等焊接工藝參數對置氫0.5% TC4鈦合金與TiAl合金的擴散焊接接頭抗剪強度的影響變化曲線。結果顯示，當連接時間和焊接壓力一定時，伴隨著焊接溫度的升高，接頭的抗剪強度逐步增大，而且抗剪強度增幅較大，如圖4a所示。當焊接溫度和焊接壓力一定，連接時間由5 min增加到15 min時，接頭的抗剪強度增幅較大；當連接時間大于15 min后，接頭的抗剪強度增長幅度呈現減小趨勢，如圖4b所示。抗剪強度的增加是由于隨著焊接溫度的升高或連接時間的延長，各元素擴散更加充分，分布趨于均勻，而且擴散反應層厚度增加也使得擴散接頭更加牢固。當焊接溫度和連接時間一定時，隨著焊接壓力的增大，接頭抗剪強度逐漸增加，但是增長幅度相對較小，如圖4c所示。當焊接溫度1 123 K、連接時間30 min、焊接壓力15 MPa時，接頭平均抗剪強度可達295 MPa。圖5為在不同工藝參數下，焊后接頭的端口形貌。從斷口形貌分析得知，斷口由光澤的結晶亮面組成，屬于典型的沿晶脆性斷裂。

圖4 焊接工藝參數對接頭抗剪強度的影響曲線

2.3 置氫0.5% TC4鈦合金中間層擴散焊接TiAl合金

圖6為使用300 μm厚度的置氫0.5% TC4鈦合金作為中間層，在1 123 K/30 min/15 MPa的工藝下擴散焊接TiAl合金時的界面形貌。結果顯示，擴散焊接的界面完好，沒有擴散孔隙的存在，界面處產生了厚度為7 μm的反應層。對焊后接頭進行了抗剪強度試驗，從斷口形貌分析得知，斷口屬于典型的解理斷裂特征，斷裂性質是脆性斷裂，如圖7所示。圖8所示為斷口的X射線衍射圖，表明斷口界面主要相構成為TiAl，Ti3Al，TiAl2和Ti3Al5等脆性相。抗剪強度試驗結果顯示接頭平均抗剪強度可達290 MPa，接頭的抗剪強度已經高于1 473 K/60 min/30 MPa的工藝下TiAl合金直接擴散焊接時接頭的抗剪強度。使用300 μm厚度的置氫0.5% TC4鈦合金作為中間層擴散焊接TiAl合金相比較TiAl合金直接擴散焊接而言，在獲得了更高的接頭抗剪強度的情況下，焊接工藝參數中的溫度降低了350 K，連接時間減少了30 min，因而提高了擴散焊接效率。

圖5 工藝參數對接頭斷口形貌的影響

圖6 使用置氫0.5% TC4鈦合金中間層擴散焊接TiAl合金界面形貌

圖7 典型斷口形貌(T = 1 123 K, t = 30 min,

P= 15 MPa)

圖8 斷口X射線衍射分析

3 結論

(1)TiAl合金直接擴散焊接時，在焊接溫度1 473 K、連接時間60 min和焊接壓力30 MPa時，擴散焊接界面孔洞完全消失，兩側母材組織生長形成一體的焊縫，界面完好，接頭抗剪強度達到285 MPa。

(2)使用置氫0.5% TC4鈦合金作為中間層擴散焊接TiAl合金時，在焊接溫度1 123 K、連接時間30 min和焊接壓力15 MPa時，擴散焊接界面處孔洞消失，并且界面處生成了一定厚度的反應層，接頭平均抗剪強度可達290 MPa，斷口界面主要為TiAl，Ti3Al，TiAl2和Ti3Al5相等脆性物質。

(3)相對于TiAl合金直接擴散焊接，使用置氫0.5% TC4鈦合金作為中間層擴散焊接TiAl合金，在獲得更高的接頭抗剪強度時，工藝參數大幅降低，TiAl合金擴散焊接的效率能大大提高。