鈦合金與鋁合金異種金屬釬焊及熔釬焊研究進展

劉德運，沈元勛，李秀朋，李云月，趙明遠

(鄭州機械研究所有限公司，新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，鄭州 450001)

0 前言

Ti/Al 異種金屬連接的部件廣泛應用于航空航天、汽車等行業，通過異種材料的連接結合每種材料的各自優勢來獲得優越的綜合使用性能[1]。由于Ti/Al 的物理性能、化學性能和冶金性能存在顯著差異，因此要獲得具有理想力學性能的Ti/Al 異種金屬接頭仍具挑戰[2]。目前，應用于Ti/Al 等異種金屬焊接的技術有釬焊、熔釬焊、熔焊、擴散焊、混合摩擦焊、爆炸焊等[3]。釬焊是指升溫使釬料熔化而母材不熔化，熔化的釬料潤濕母材，進而與母材冶金結合，實現接頭的連接。由于母材不熔化，與熔化焊相比，焊接應力更小，同時通過改善釬料成分比例和焊接溫度等參數，可降低T/Al 金屬間化合物的生成，從而達到鈦合金和鋁合金的更有效連接[4]。Ti/Al 熔釬焊技術同時具有熔焊與釬焊兩種連接方法的優勢，熔釬焊技術可以有效的抑制Ti/Al 金屬間化合物的生成，從而使獲得的鈦合金/鋁合金異種金屬焊接接頭性能更為優異[5]。

文中重點從釬焊與熔釬焊兩個方面綜述國內外關于鈦合金/鋁合金異種接頭連接方法的研究報道，并指出目前技術的不足之處和未來研究的發展趨勢，期待為鈦合金/鋁合金異種金屬接頭提供有意義的技術基礎與參考數據。

1 焊接性分析

Ti/Al 異種金屬的焊接特性不同，主要在于其物理和化學性質方面的差異。鈦合金和鋁合金的熔點、電導率和線膨脹系數方面有著很大的區別[6-7]。鈦合金和鋁合金之間的熔點差距大約在1000 ℃，在焊接過程中，鋁合金率先達到熔點熔化，而鈦合金還處于固態，液態鋁合金密度較小會浮于焊縫表面，因此導致焊接成形不良[8]。并且兩者線膨脹系數差距較大，導熱能力不同，在焊縫成形或冷卻過程中也易形成焊接裂紋。另外，Ti/Al 異種金屬接頭的焊縫也極易產生TiAl，TiAl3等脆性金屬間化合物，影響接頭力學性能[9]。此外，由于鋁合金和鈦合金的化學活性均較高，易形成氧化層，從而影響潤濕性。鈦在高溫下，極易與氧、氮和氫進行吸氣反應[10]。為避免吸氣反應，并避免鈦合金/鋁合金接頭焊縫氧化，必須處于真空環境下或者惰性氣體保護氛圍下進行焊接。選擇合適的焊接方法與焊接工藝減小界面內應力與界面脆性相的產生，以獲得性能更為優異的接頭。而目前，國內外鋁合金/鈦合金異種金屬所采用的焊接方法，大致分為3 大類：壓力焊、熔焊和釬焊，而壓力焊又包含爆破焊、摩擦焊和擴散焊。鈦合金和鋁合金之間的固溶性都較小，研究者們對熔焊的研究也相對較少，而一般使用的焊接方法是釬焊和熔釬焊。該文主要對鈦合金/鋁合金異種金屬材料的釬焊及熔釬焊技術發展做出綜述，同時著重探討了焊接方法與工藝對焊接效果的影響。

2 釬焊

釬焊選擇熔點比待焊金屬低的材料做釬料，釬焊時，將釬料置于待焊金屬之間，并加溫至未達到待焊金屬熔點而使釬料熔融的溫度，釬料熔化后對待焊金屬表層加以鋪展潤濕并相互擴散，最終完成待焊母材的加工焊接。釬焊的優點是它更加適于焊接異種材質金屬，特別適合化學和物理性能差別較大的金屬。通常條件下，選擇合適的焊接方法與焊接參數可以避免Ti/Al 接頭熔蝕、高溫下氧化、產生氣孔和裂紋的缺陷，但是焊縫產生脆性金屬化合物卻無法避免，目前，避免鈦合金與鋁合金焊接接頭產生脆性金屬間化合物仍是主要研究方向。文中按釬焊方法劃分，綜述鈦合金與鋁合金異種金屬釬焊研究現狀。

2.1 爐中真空釬焊

國外對Ti/Al 異種金屬真空釬焊研究較早，Takemoto 等學者[11]很早便開始對鈦/鋁異種金屬的釬焊進行研究，在高真空條件下，使用Al-30Ag-10Cu，Al-10Cu-8Sn 和Al-10Si-1Mg 釬料對純鈦/純鋁異種金屬進行釬焊，釬焊溫度為600～620 ℃。使用Al-30Ag-10Cu，Al-10Cu-8Sn 釬料釬焊的接頭，在接近鈦一側發現脆性金屬間化合物TiAl3，并分別產生了Ag2Al 和CuAl2相，進行拉伸試驗，接頭斷裂于金屬間化合物層，抗拉強度僅有38 MPa，使用Al-10Si-1Mg 釬料釬焊的Ti/Al 異種金屬接頭，生成的金屬間化合物為Ti7Al5Si12，抗拉強度可達到70 MPa，接頭斷裂在釬料部位。分析認為：當Si 含量較少時，元素Si 可以固溶于TiAl3相中，抑制TiAl3組織生長，TiAl3層厚度變小；當Si 含量較多且超過TiAl3固溶度時，產生新相Ti7Al5Si12，接頭抗拉強度也因組織不同而產生差異。

為改善Ti/Al 釬焊接頭性能，研發適用于Ti/Al釬焊接頭的釬料。康慧等學者[12]根據國內外研究結果和有關資料，在Al-11.5Si 近共晶合金中加入不同成分的元素Sn 和Ga 合成9 種不同的釬料，并在真空條件下使用各新釬料對Ti/Al 進行釬焊。分別對9種釬料釬焊出的異種金屬接頭進行抗剪強度測試和潤濕性能測試；在9 種釬料中，具備較好鋪展性和抗剪強度的釬料為添加10%Sn，0.2%Ga 的Al-11.5Si 鋁基釬料，使Ti/Al 異種金屬接頭獲得了較好的力學性能。國內外其他研究者也試圖通過在釬料中加入其他微量元素，以提高釬焊接頭性能。Chang 等學者[13]使用Al-8.4Si-20Cu-10Ge 低熔點釬料，在釬料中加入稀土元素（La+Pr，共0.1%濃度），在530 ℃下完成Ti-6Al-4V 鈦合金和6061 鋁合金爐中真空釬焊。相比于沒加入稀土金屬的釬料，Ti/Al 接頭抗拉強度由20 MPa增加到了51 MPa。稀土金屬的摻入使釬料的固相線與液相線溫度降低，界面化學反應能減少，也提高了液態釬料對待焊金屬的潤濕。在釬料/鈦合金界面處，形成了寬度約為3～6 μm 的三元金屬間化合物Al5Si12Ti7層，如圖1 所示，進而提高了Ti/Al 接頭的抗拉強度。

圖1 不同釬焊參數下6061/Ti-6Al-4V 接頭顯微組織[13]

2.2 感應釬焊

感應釬焊通過零件自身電阻流經感應電流產熱。由于自身產熱升溫速率快，可以避免母材的晶粒長大和再結晶的產生，并且可根據工件形狀設計線圈，更為靈活，也能夠完成對工件的局部加熱升溫。徐永強[14]對Ti/Al 異種金屬感應釬焊工藝開展了深入研究，在試驗中由于鋁基釬料對鈦板表面的潤濕較差，因此提出了采用在鈦板表層預鍍鋁層的方法，經過對比分析有無鍍層條件下的鈦合金/鋁合金異種金屬釬焊接頭，得出在無鍍層條件下，釬焊接頭界面反應層呈現層狀、針狀、桿狀、鋸齒形等多狀結構和多相構造，在鍍層作用條件下界面反應層出現均勻的層狀和細小針狀結構。層狀Ti(Al,Si)3、針狀Ti7Al5Si12雙相組織可以有效阻止金屬裂紋擴散，釬焊接頭斷裂于釬縫內。鈦板表面預鍍鋁層可以提高金屬釬料對鈦板表面的潤濕能力，并抑制界面反應層的生長。

為了提高釬焊接頭性能，并提高釬料對待焊金屬的潤濕性，張曄[15]通過國內外研究分析自制了2 種中低溫釬焊釬料分別為ZnAlCuAg 與ZnAlCuSn，并進行了相關組織性能試驗分析，在外加超聲波條件下，對2 種釬料進行潤濕性能測試，在施加超聲波1 s 的情況下，2 種釬料對母材都有更好的潤濕，且ZnAlCuSn釬料對母材的潤濕性能優于ZnAlCuAg 釬料。在大氣條件下通過高頻感應在超聲波輔助作用下實現Ti-6Al-4V 鈦合金與3A21 鋁合金的焊接，拉伸試驗結果表明：當使用Al-1.5Si 作為預鍍層進行拉伸時，斷裂發生在鋁合金母材，觀察斷口發現大量韌窩，為韌性斷裂，有著最高的抗拉強度，而使用其他幾種預鍍層時斷裂均發生在界面處。加入Sn 元素雖可以提高釬料對母材的潤濕性能，但釬焊過程中Sn 易沉積于底層，且自身強度不高，斷裂易發生在富Sn 相，造成接頭抗剪強度不高。

2.3 超聲波釬焊

鈦合金與鋁合金異種金屬還可通過超聲預涂敷進行釬焊，首先將鋁層超聲預涂敷在鈦板上，然后對鋁合金與預涂敷鋁層鈦合金進行超聲釬焊，也可實現鈦合金與鋁合金異種金屬的連接。馬志鵬等學者[16-17]在非真空條件下，通過直接超聲釬焊法與鈦合金預涂敷鋁層超聲釬焊法完成了TC4 鈦合金與2A12 鋁合金的連接。對異種金屬釬焊接頭進行掃描電鏡觀察和能譜分析，結果發現：在超聲預涂覆釬焊工藝下，TC4 鈦合金/2A12 鋁合金異種金屬釬焊接頭最高抗剪強度可達141 MPa。對釬焊接頭斷口進行分析發現：斷裂發生于Zn-Al 釬料中，并且在釬焊接頭TC4 側界面有TiAl3和TiAlSi 金屬間化合物。

Ma 等學者[18]研究了用鋅基釬料(不含Si 和含Si)超聲輔助釬焊Al-4Cu-1Mg 鋁合金和TC4 鈦合金的工藝。為了控制TC4 鈦合金樣品與釬料之間金屬間化合物的形成，在釬焊前對TC4 鈦合金樣品進行了熱浸鍍鋁和超聲浸鍍。TC4 鈦合金基體與鍍鋁涂層之間的界面處形成了TiAl3相，對于不含Si 的Zn基釬料，超聲作用下釬焊接頭的TC4 鈦合金界面沒有變化，僅由TiAl3相組成。對于含Si 的Zn 基釬料，在超聲波作用下，釬焊接頭界面區TiAl3相消失，形成Ti7Al5Si12相。焊縫中脆性金屬化合物由TiAl3轉變為Ti7Al5Si12，抗剪強度最高達到138 MPa，分析原因可能與脆性金屬化合物的組織有關，TiAl3為塊狀組織，Ti7Al5Si12為片狀組織。雖然國內外對超聲波釬焊進行了大量的研究，但由于設備昂貴，目前僅應用于軟釬焊，仍存在局限性[19]。

3 熔釬焊

熔釬焊適用于熔點相差較大的異種金屬，鈦合金與鋁合金在熔點上相差1000 ℃左右，熔點差異較大，可通過控制焊接熱輸入使鋁側局部金屬熔化而鈦則保持固態進而形成有效結合[20]。目前，關于鈦與鋁熔釬焊技術的研究大多使用電子束焊接、激光焊、電弧焊等工藝。

3.1 電子束熔釬焊

電子束焊接的基本原理是真空室內原子被加速進行定向高速移動對待焊工件進行沖擊，這一過程中把原子的動能轉換為熱量，通過轉換的熱量使待焊工件熔融后冷卻凝固，最后形成焊縫[21]。利用高真空電子束對Ti/Al 進行熔釬焊，高能量密度的電子束熱源可以很好地控制熔池的尺寸、形態及電子束斑的位置，可有效降低界面溫度、減少反應時間，從而有利于Ti/Al 等異種金屬的焊接[22]。

國內外對Ti/Al 的電子束熔釬焊研究集中于工藝參數及接頭母材重熔改性等方面。王亞榮等學者[23-24]利用真空電子束及采用對接的形式對鋁合金板和鈦合金板進行熔釬焊，為充分利用低熔點金屬鋁合金自身的熔化作為潤濕填充材料釬接高熔點的鈦合金，在焊接時鋁合金板需略高于鈦合金板。焊接中適當降低電子束加速電壓，采用低加速電壓60 kV，以降低電子動能，減小束流穿透能力，同時選擇合適的束流強度，使得釬接焊縫表面光滑，避免擊穿界面，當電子束流為13.5 mA 時，實現焊接接頭的平滑過渡，焊縫成形良好，5A06/TC4 釬焊接頭的界面結構及釬接界面的元素分布如圖2 所示。鈦合金結合部位存在一個明顯的過渡層，鋁合金側生成大量的塊狀反應物，彌散分布于界面處，增強接頭性能，接頭抗拉強度可以達到230 MPa。

圖2 5A06/TC4 接頭界面結構[23]

鈦合金與鋁合金異種金屬熔釬焊時焊縫易出現熔合不良、高殘余應力等問題，且會產生大量硬脆Ti/Al 金屬間化合物，誘導裂紋產生。電子束熔釬焊時，向鋁側偏束掃描可減少Ti/Al 金屬間化合物生成，提高接頭抗拉強度。為得到電子束熔釬焊Ti/Al 異種金屬接頭的最佳工藝參數，王毅[25]對5052 鋁合金和TA2 鈦合金異種金屬接頭進行電子束熔釬焊工藝試驗，得到最好工藝參數：鋁側偏置距離0.9 mm、焊接束流21 mA、焊接速度10 mm/s，以及背部小束流強化處理。并且為了改善釬焊接頭性能，對接頭進行重熔改性，并獲得重熔改性最好工藝參數：鈦側偏置距離2.5 mm、重熔掃描束流25 mA、重熔掃描速度10 mm/s。TA2 鈦合金與5052 鋁合金熔釬焊連接得到最優接頭抗拉強度達126 MPa，斷裂形式為脆性斷裂，TA2 鈦合金與5052 鋁合金重熔改性連接得到優化接頭抗拉強度達165 MPa，接頭斷面局部位置存在韌窩。

3.2 激光熔釬焊

激光熔釬焊由于其高靈活性、可調節能量輸出和更快的加熱/冷卻速率，已被證明是一種適用于焊接鈦合金與鋁合金異種金屬的工藝方法[26]。為降低金屬間脆性化合物的生成，李鵬等學者[27-28]對比研究了單、雙焦點2 種不同的激光作用模式對TC4/6061激光熔釬焊縫成形、界面金屬間脆性化合物層及界面溫度場的影響。相比單焦點激光，并行雙焦點激光有效改善了填充釬料在TC4 側的潤濕性，擴展了焊接工藝窗口，降低了界面脆性金屬間化合物層的厚度，并提高了脆性金屬間化合物層分布的均質性。單焦點激光時，界面最高溫度為915 ℃，溫度梯度為103 ℃；同等功率下，采用雙焦點激光時，界面最高溫度降為807 ℃，溫度梯度降為47 ℃，界面金屬間化合物層的厚度差由4.99 μm 減小為0.77 μm，接頭強度由150 MPa 提高至187 MPa。同樣，Zhang 等學者[29]為調節Ti/Al 異種合金激光熔-釬焊過程中界面反應的不均勻性，使用雙激光束雙邊同步熔釬焊方法。分析了不同雙光束輸入條件下金屬間化合物的形成機理。試驗使用母材為TC4 鈦合金與1050 鋁，結果表明：兩側激光功率相同時，可以獲得沿Ti/Al 界面具有均勻鋸齒形金屬間化合物的良好釬焊接頭，如圖3 所示。釬焊界面的左、中、右均分布有連續鋸齒狀的金屬間化合物層，金屬間化合物厚度為3～4 μm，結合強度最高可達鋁合金母材的71%。

圖3 釬焊界面左、中、右金屬間化合物顯微形貌[29]

為了提高母材的潤濕性能，陳曦等學者[30-31]采用飛秒激光對鈦合金表面進行織構處理，在研究中發現使用1.5 W 激光功率處理過的金屬表面有最好的潤濕性，潤濕角為4.6°。并分別對飛秒激光處理、未處理Ti/Al 異種金屬進行激光熔釬焊，對力學性能進行測試，飛秒激光未處理Ti 時，Ti/Al 異種金屬接頭的抗拉強度和斷后伸長率分別為181.1 MPa 和4.1%。飛秒激光織構表面Ti/Al 異種接頭的抗拉強度和斷后伸長率分別為220.3 MPa 和5.7%。證明飛秒激光織構的微觀形貌增強了Ti 表面的潤濕行為，提高了結合質量。另外，Zhang 等學者[32]提出了在TA2/AA5150 異種接頭中添加銀網夾層制備Ag 合金鋁焊縫和Ti/Al 界面區的新方法，研究了帶銀網和不帶銀網Ti/Al 接頭的組織和力學性能。無Ag 焊縫的鋁晶粒主要由原鋁組成。這是鋁凝固過程中鎂元素重分布的結果。隨著激光功率的減小，凝固界面前端過冷度和溫度梯度增大，鋁的成核速率增大。在含Ag 的鋁焊縫中，Mg 元素被MgAg 相和MgAgAl 相富集。使原鋁消失，活性Mg 元素減少。添加Ag 元素的鋁晶粒比不添加Ag 元素的鋁晶粒細小，原因可能是MgAg 相抑制了鋁枝晶的生長。與未添加Ag 的鋁焊縫相比，添加Ag 的鋁焊縫織構減弱，枝晶發育不充分。證明銀合金化可以減少Al3Ti 和Al 之間的力學性能不匹配。在銀網的輔助下，接頭的最佳平均抗剪強度從147.7 MPa 提高到171.4 MPa。

通過優化激光熔釬焊工藝、焊縫填充合金金屬等方式可一定程度上改善Ti/Al 異種金屬釬焊接頭組織性能，但接頭鈦合金側組織分布不均問題仍難以解決。

3.3 電弧熔釬焊

采用電弧作為熱源進行Ti/Al 異種金屬熔釬焊，對工件尺寸、接頭形式的適應性強，工藝成本低，對環境要求低[33]。隨著弧焊電源性能的不斷發展，電弧熔釬焊技術也得到進一步重視。根據焊接電弧的不同，可分為：TIG 電弧熔釬焊、MIG 電弧熔釬焊及CMT 熔釬焊等。

為研究不同輸入電流和焊接速率對鈦合金/鋁合金異種金屬接頭成形品質的影響，張萍等學者[34]利用TIG 對TC4 鈦合金材料和6016 鋁合金材料開展了異種金屬的熔釬焊試驗，當焊接電流為110～130 A、焊接速度為1.5 mm/s 時，焊接接頭成形良好。鈦合金與焊縫界面處發現鋸齒狀和棒狀脆性金屬間化合物TiAl3。接頭具有3 種不同的斷裂形態，其中以沿鈦合金和釬料界面的破裂形態較為普遍，接頭也呈現了脆性斷裂特點。呂世雄等學者[35-36]同樣利用TIG 工藝研究了填充金屬添加稀土元素熔釬焊Ti-6Al-4V/LF6 接頭，并對接頭進行分析。未填充金屬的熔釬焊接頭抗拉強度為139 MPa，裂縫沿TiAl3層和焊縫間的邊界延伸。焊縫添加Al-Cu-La 焊絲為填充物的接頭，焊縫組織為TiAl3+Ti2Al20La 雙化合物層，接頭抗拉強度達到270 MPa，裂紋沿TiAl3化合物與鈦合金界面處開裂。分析接頭強度的提高與稀土La元素作用下形成的雙化合物層有關。

為改善接頭性能，何錫鑫[37]采用不同合金元素的焊絲對焊縫進行填充（焊接電流110 A、電弧電壓15 V、焊接速度10 mm/s），電弧向鋁合金一側偏移0.3 mm 的MIG 電弧熔釬焊工藝對2.5 mm 厚的TC4鈦合金和2A12 鋁合金進行熔釬焊工藝試驗。結果表明：采用不同合金元素的焊絲獲得的熔釬焊接頭，電弧直接加熱區域的鈦合金均發生了輕微熔化，形成一定厚度的呈現多層結構的熔合區，中下部為鋸齒狀的釬焊界面。釬焊界面周圍的焊縫中均存在一定棒狀、塊狀的析出相。Al-Si 焊絲獲得的接頭鈦合金一側上部熔合區較窄，而釬焊界面較寬整體厚度均勻。拉伸測試發現：填充Al-Si 焊絲獲得的接頭抗拉強度最高，達到227 MPa。孫軍浩等學者[38]以ER4043鋁合金焊絲做為填充材料，采用CMT（冷金屬過度）熔釬焊工藝對6061 鋁合金和TA2 鈦板進行了異種合金連接試驗。試驗所獲得的焊接接頭顯微組織具有明顯的熔焊和釬焊雙重特征，鈦一側的釬焊層呈現雙層結構，由近鈦合金界面的Ti3Al 連續層和近焊縫側向焊縫生長的鋸齒狀的TiAl3層兩部分組成。拉伸試驗接頭在鋁合金母材的熱影響區內斷裂，抗拉強度達到197.5 MPa。針對鈦合金與鋁合金異種金屬電弧熔釬焊研究主要集中于工藝改進與接頭性能提高上，在接頭鈦側及鋁側微觀組織分布差異研究極少，不能從根本上解決界面組織的不均勻性。

4 結束語

（1）采用鋁基釬料釬焊Ti/Al 接頭時，可通過控制Si 元素含量來減少Ti-Al 金屬間化合物的生成，同時添加適量Ga、稀土元素等來改善接頭性能，但仍難避免釬焊時脆性金屬化合物在Ti/Al 界面處形成。

（2）熔釬焊時雖可通過選擇合適的焊接方法與焊接工藝或通過焊縫填充金屬來減少脆性Ti-Al 金屬間化合物生成，但由于熔釬焊時焊接熱輸入分布不均，易導致焊縫界面組織分布不均。

（3）尋找合適的釬焊工藝和釬料控制脆性Ti-Al金屬間化合物的形成仍是釬焊鈦合金/鋁合金異種接頭的主要研究方向。在熔釬焊方面，改變單一熱源通過多種熱源耦合調控可有效解決熱輸入分布不均的問題，減小接頭界面組織分布的不均勻性，因此復合焊技術在鈦合金與鋁合金熔釬焊方向有很大應用前景。