真空钎焊Ti2AlNb/Ti60合金的组织演变及力学性能

真空钎焊Ti2AlNb/Ti60合金的组织演变及力学性能

吴坚定1     林颖1      王鹏2

1中车株洲电力机车有限公司，湖南，株洲 412001

2西北工业大学材料学院，陕西，西安710000

摘要：采用Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb钎料对Ti2AlNb合金和Ti60合金进行真空钎焊，获得了良好的接头。研究了钎焊温度和保温时间对Ti2AlNb/Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb/Ti60钎焊接头的组织演变和力学性能的影响。接头区域内存在连续的金属间化合物，这类相在某种程度上促进了界面的冶金结合，但对接头整体的机械性能带来了不利的影响。随着钎焊温度和保温时间的提高，加速了液态钎料向基体的扩散，导致(Ti, Zr)2(Cu, Ni)脆性金属间化合物减少。在900℃下钎焊15min后，接头的抗拉强度达到最大值300.75Mpa，接头的断裂位置为(Ti, Zr)2(Cu, Ni)脆性相。通过调控钎焊温度和保温时间可以在一定程度上改善接头的微观组织结构，改善接头的机械性能。

关键词：Ti2AlNb合金、Ti60合金、界面微观结构、接头机械性能。

1.引言

作为一种新型Ti-Al系金属间化合物材料，Ti2AlNb合金逐渐被视为航空发动机领域极具潜力的应用材料。Ti2AlNb合金结构表现出原子的长程有序排列，它的有序结构有助于增强在高温条件下的稳定性，并赋予其出色的抗蠕变性能和较高的熔点。然而，这种高度有序性也导致了塑性和韧性相对较低[1]。Ti60合金是我国自主研发的近α型高温钛合金，可以在600°C的高温环境下长期工作，凭借其低密度特性以及在高温环境下依然保持优异的力学性能，例如高强度、高耐蚀性和良好的疲劳寿命，Ti60被广泛应用于航空航天工业中的关键组件制作，比如高压压缩机的叶盘和叶片构造。为了充分提高航空航天工业中的关键组件的服役性和可靠性，深入研究以Ti2AlNb合金与Ti60合金之间的焊接工艺至关重要[2]。

目前，对于Ti2AlNb合金和Ti合金的连接方式有传统熔焊、激光焊接、电子束焊接和扩散焊等，钎焊作为一种成本效益较高且工艺相对简单的焊接技术，在钛合金的连接中凸显出了其独特的价值[3]。但是，钛合金中的主要元素Ti具有较高的化学活性，在非真空条件下容易与氧气发生反应生成TiO2，这一氧化物的存在往往对钎焊接头的质量和性能产生负面的影响。为了消除TiO2对钛合金连接过程中的不利影响，真空钎焊便成为了钛合金连接过程中的理想方法，这一方法可以在不生成氧化物的同时保证接头的力学性能和服役可靠性，对于航天航空制造业中使用的的钛合金部件至关重要[4]。

钎料选择对于钎焊连接和最终接头的性能具有决定性的意义。钛基钎料具有较高的钎焊强度、良好的润湿性、良好的耐腐蚀性，并且在焊接许多钛合金时表现出优异的高温性能，因此钛基钎料广泛用于钎焊钛及钛合金[5]。Li[6]等研究了γ-TiAl合金与非晶态和晶态Ti-25Zr-12.5Cu-12.5Ni-3Co-2Mo（质量分数，%）钎料的真空钎焊, 深入分析了非晶态和晶态钎料以及使用它们进行钎焊的接头所表现出的熔化、扩散和间隙填充行为。 结果表明，与晶态钎料相比，非晶态钎料具有更窄的熔化温度区间、更低的液相线温度和熔化活性能，并且在γ-TiAl合金表面表现出更好的钎焊性。 非晶态填充合金在1273 K温度下得到的钎焊接头最大抗拉强度可达到254 MPa。据报道[7,8]，同种元素和异种元素的共存可以促进非晶合金的形成。 在钛基钎料中，可添加Cu和Ni元素作为熔点抑制剂，降低钎料熔点。 此外，还可以引入Co等类似元素来促进钛合金的非晶态形成过程。 Zr 元素与 Ti 元素无限互溶，同样有助于非晶态形成并可降低钎料的液相线温度。 此外，Ti2AlNb合金和Ti60合金母材中均含有Nb元素，这有利于提高填充金属与母材之间的相容性。因此，在本研究中，选择主要元素Ti、Zr、Cu、Ni、Co和Nb来熔炼合成Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb的非晶态钎料来用于钎焊Ti2AlNb合金和 Ti60合金。本研究主要分析了钎焊温度和等温保温时间对Ti2AlNb合金/Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb非晶钎料/Ti60合金钎焊接头界面显微组织和力学性能的影响。此外，该研究还深入分析了钎焊接头的断裂位置和断裂形态。

2.材料与方法

本研究中使用的Ti2AlNb合金的标准化学成分为22%的Al、25%的Nb，其余为Ti。另一方面，Ti60合金由5.9%的Al、4.1%的Sn、4.0%的Zr、0.7%的Nb、1.5%的Ta、0.4%的Si组成，其余为Ti。Ti2AlNb合金的微观结构呈现出经典的B2+O的双相微观结构，其中主体为有序的B2相，在其基底上分布着不同尺寸和取向的O相板条结构。Ti60近α合金由沿晶界分布的等轴α-Ti、细长α-Ti和β-Ti组成。钎料的宽度约为20mm，厚度约为100μm。为了制作用于钎焊的组装样品，将尺寸为10 mm×10mm×100μm的Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb钎料带夹在尺寸为10mm×10 mm×15mm的Ti60块和尺寸为10mm×10mm×15mm的Ti2AlNb块之间。在进行钎焊工艺之前，用2000目的SiC砂纸仔细抛光样品和钎料的所有表面。组件在受控加热过程，最初以10℃/min的速度达到200°C，实现接头内的均匀温度分布。随后，以15℃/min的速率将温度进一步升高到钎焊温度，并将组件在该温度下保持相应的时间。钎焊过程完成后，对组件进行炉内冷却，同时始终保持5 × 10

-3 Pa的真空水平。选择的钎焊温度和保温时间分别为860℃，10 min；880℃，10 min；900℃，10 min；920℃，10 min；900℃，5 min；900℃，15 min；900℃，20 min。

用光学显微镜（OM，OLYMPUS GX71）观察了Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb非晶钎料的宏观形貌。用X射线衍射仪和Cu-Kα射线对Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu0.5Co-0.5Nb非晶钎料的相组成进行了表征。用差示扫描量热仪（DSC，NETZSCH STA 449C）测定了Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb非晶钎料的熔融温度。通过配备有能量色散光谱（EDS，Oxford F60）的扫描电子显微镜（SEM，蔡司Gemini 500）观察了Ti2AlNb/Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb/Ti60钎焊接头的形态、断裂截面和断裂表面。通过电子背散射衍射（EBSD）测量对钎焊焊缝中的局部微观结构和相组成进行了表征。

钎焊过程完成后，在室温下进行拉伸实验。通过拉伸机以0.5 mm/min的速度进行钎焊接头试样的拉伸，对每个接头的三个平行样品进行拉伸实验并计算平均值，得出最佳的钎焊工艺参数。

3.结果与讨论

3.1 Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb非晶合金箔带的表征

通过单辊剥离法生产的Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb非晶箔带具有高质量的表面，表明其适合作为钎焊应用中的钎料[9]。其微观结构图像表现出均匀、无纹理并且无明显的晶界特征，面扫的结果显示Zr、Cu、Ti、Ni、Nb、Co元素均匀的分布在样品表面，无明显的分离或聚集现象。在XRD中，2θ角度范围内的35°到45°角处仅观察到了一个扩散峰，因此，证明了所制备的箔带钎料具有非晶态的微观结构特征。

3.2 Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb非晶钎料钎焊Ti2AlNb/Ti60的典型微观结构。

如图1所示，在900℃的钎焊温度和15min的保温时间下的Ti2AlNb/Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb/Ti60钎焊接头典型的微观结构形态。接头处结合良好，没有出现明显的孔洞与裂纹，证明了钛铝合金与钛合金之间发生了牢固的冶金结合。为了阐明钎焊接头的微观结构，对接头处的一些特定区域进行了化学成分分析，分析区域如图1中的每个点。

图 1 Ti2AlNb/Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb/Ti60接头典型界面组织：接头的整体微观结构

对应表1中的化成成分含量和图1的接头微观结构发现，整个接头可以分为三部分不同的区域，其中区域Ⅰ部分为靠近Ti60合金的一个灰色相的α-Ti层。Ti原子在基质中连续溶解和扩散，在区域Ⅱ对其的抑制作用下而发生了聚集，且区域Ⅰ中的点B的成分主要为Ti和Al，由于Al经常用来作为α-Ti的稳定剂，因此揭示了区域Ⅰ的结构为α-Ti。在Ti2AlNb合金邻近区域，形成了区域Ⅲ的浅灰色层，它实质是在冷却过程中形成的扩散区，由α相和β相组成。此外，区域Ⅰ表明了Ti60合金部分溶解到了钎料中。紧邻Ti2AlNb合金的区域Ⅲ呈现直线状，这一现象可解释为：对比 Ti2AlNb合金中Cu和Ni的扩散速率，Ti60合金中的Cu和Ni拥有更高的扩散速率，故在形成接头的过程中更快的向Ti2AlNb合金一侧迁移，从而塑造出清晰、平直的界面轮廓。区域Ⅱ的主体特征是由粗大的白色条带状相与之相伴的黑色相共同组成，并且包括了相关的共析产物成分。如表1所示，对C、D和E点进行了详细的成分分析，白色条带状相与黑色相有明显的成分差别。其中，白色条带状相主要由一系列(Ti, Zr)2(Cu, Ni)金属间化合物组成，黑色相为共析产物。区域Ⅱ中的C相和E相部分表现出了独特的共析微观结构，它包括深灰色的α-Ti薄片和亮白色的(Ti, Zr)2(Cu, Ni)薄片。此外，一些白色的条带状相从区域Ⅱ延伸到了区域Ⅲ，其微观结构推测为(Ti, Zr)2(Cu, Ni)金属间化合物。

表1  图1中每个特征点的EDS结果（原子数分数）

3.3钎焊温度和保温时间对Ti2AlNb/Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb/Ti60接头界面组织的影响。

钎焊温度和保温时间在很大程度上决定了接头的微观结构和力学性能。如图2所示，分别为在860℃、880℃、900℃、920℃的钎焊温度下保温10 min下和在900℃的钎焊温度下分别保温5 min、10 min、15 min、20 min下的接头BSE图像。在每一幅图像中，可以清晰地将接头划分成三个特征明显的区域：

图 2不同钎焊工艺参数下获得接头的微观组织：(a) 860℃,10min；(b) 880℃,10min；(c) 900℃ ,10min ；(d) 920℃ ,10min ； (e) 900℃,5min；(f) 900℃,10min；(g) 900℃ ,15min ；(h) 900℃ ,20min ；

区域Ⅰ、区域Ⅱ以及区域Ⅲ，随着钎焊温度升高和保温时间增加，液体钎料向基体的原子扩散速率显著加快和扩散的时间增长，使得区域Ⅰ和区域Ⅲ的宽度增加。基于以上对接头界面微观结构的分析如下：在真空钎焊炉进行加热的过程中，当钎焊温度超过钎焊合金的固相线温度时，Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb钎料开始融化并形成液相，在融化过程完成后，Cu和Ni等原子在热激活能的作用下，开始发生显著的扩散行为，不断地从液态钎料中逸出并渗透到与其接触的基底材料之中，同时基底材料自身的元素也在高温作用下发生溶解反应，进入到已经融化的钎料液体内。在保温阶段，Cu、Ni等原子在液态钎料内部的相互扩散运动和Ti原子在基体中的相互渗透同时进行。随着钎焊温度的逐渐升高，原子扩散的速率加快；随着保温时间的增加，原子的扩散作用得以充分的进行。因此使得液态钎料减少，Ti的含量增加。随着冷却的完成，三个区域呈现出各自独特的微观结构特征，区域Ⅰ的结构主要为α-Ti，区域Ⅱ的结构主要为(Ti, Zr)2(Cu, Ni)金属间化合物和共析产物，区域Ⅲ的结构主要为α相+β相。通过对不同钎焊工艺条件下的接头微观组织的深入探究发现，在保温时间为10min且钎焊温度为900℃的情况下，钎焊接头表现出最优的微观组织结构，此时脆性相的数量最少且分布最均匀，有利于提升接头的力学性能和可靠性。

3.4钎焊温度和保温时间对Ti2AlNb/Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb/Ti60接头性能的影响。

随着钎焊温度的升高，接头的抗拉强度首先呈现出增长的趋势，然后降低。随着保温时间的增加，接头的抗拉强度先增长后降低。在900℃保温15 min下，接头的抗拉强度达到了峰值，约为300.75MPa，表明在900℃钎焊温度，最佳的保温时间为15 min。

如图3所示，分别显示了不同钎焊工艺参数下获得的接头的拉伸断口形貌。通过仔细观察断口形貌，可以发现呈现出河流状的图案。

图3不同钎焊工艺参数下获得接头的拉伸断口：(a) 880℃,10 min； (b) 900℃ ,10 min ；(c) 900℃ ,15 min ；(d) 920℃ ,10 min

因此，可以推断出接头的断裂主要表现为解理断裂。结合微观组织和平均拉伸强度的分析。在保温时间都为10 min时，可以推断出接头强度的增加是由于(Ti, Zr)2(Cu, Ni)脆性相随着钎焊温度的升高而减少。同时，钎焊温度越高，晶粒也就越粗大，强度越低；在钎焊温度都为900℃时，可以推断出在适当的保温时间内，随着保温时间增加，金属间脆性化合物会均匀化，使得接头的强度增加。在保温时间过长，会增加金属间脆性化合物的总量且晶粒也会粗大，从而导致接头强度降低。

4.结论

使用Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb钎料对Ti2AlNb合金和Ti60合金进行真空钎焊，成功得到了优良的接头。对接头的界面微观结构和力学性能进行了详细研究，主要结论如下：

(1)在900℃进行15 min的钎焊下，形成的Ti2AlNb/Ti60合金接头界面呈现出多区段的微观结构，主要包括具有高浓度Ti的单层α-Ti、共析微观结构、连续的粗大(Ti, Zr)2(Cu, Ni)金属间化合物带状网络并且IMC中含有一些β-Ti和α+β相。

(2)通过提高钎焊温度和延长保温时间均有利于减少(Ti, Zr)2(Cu, Ni)金属间化合物的生成。钎焊接头的微观结构主要是由于Ti、Cu、Ni等原子的扩散和基体的部分溶解。钎焊温度和保温时间对原子的扩散、基体的溶解以及金属间化合物的形成都会产生影响，进一步会影响钎焊接头的微观结构。

(3)在钎焊温度为900℃和保温时间15 min下，接头的抗拉强度最大，达到了300.75MPa。钎焊接头的断裂模式是解理断裂，为脆性断裂。

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