面向航空发动机零部件应用的Ti150与TC19异种钛合金真空钎焊技术研究——基于Ti-21Cu-13Zr-9Ni钎料的扩散层形成机制、力学性能温度依赖性及基体断裂特性分析

前言

高温钛合金在航空发动机中得到了广泛使用，在制造盘､叶片､鼓筒､机匣等零部件的制造中代替钢或高温合金，明显减轻了发动机的结构质量，提高了压缩空气的级压比｡高温钛合金 Ti150 (Ti5.5Al-4.0Sn-3.5Zr-Nb) 与英国的 IMI834 相当，长期耐热温度已达到 600 ℃, 典型的高温钛合金还有俄罗斯的 BT36 等，其中 IMI834 合金已在 EJ200､TRENT800 等发动机上得到了成功应用 [1-4]｡Ti150 合金具有较高的高温蠕变抗力､疲劳强度和良好的损伤容限特性，因此在航空､航天以及其他重要工业领域受到密切关注和高度重视 [1]｡

TC19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo) 是美国 20 世纪开发的一种富 β 的α+β两相钛合金，是一种高强度､高韧性钛合金｡由于 TC19 在 Ti-6242 的基础上提高了 Mo 的含量，大大稳定了 β 相，使室温和高温拉伸性能得到了改善｡但是在航空航天领域为了进一步优化零部件性能，对异种材料连接有了更多的需求｡

钛合金用钎焊材料体系较多，以硬钎焊用钎料为例，有银基 [5-6]､铝基 [7]､钛基 [8-9] 和钯基 [10] 等｡以前国内钛基钎料不成熟，主要采用银基､铝基､钯基等钎料进行钛合金钎焊，考虑到钎焊接头的工作环境和接头强度等多方面因素，银基､铝基和钯基等体系的钎焊材料均不能很好地满足使用要求｡目前国内钛基钎料逐渐成熟而且形成了多种牌号，钛基钎料的钎焊接头强度高，耐热性､耐蚀性均较好，适用于恶劣的工作环境｡目前以 B-Ti57CuZrNi､B-Ti38ZrCuNi 应用最多 [11-16], 且有相应行业标准，本文选用在航空系统应用较多的 B-Ti57CuZrNi 钛基钎料作为目标钎料，对高温钛合金 Ti150 与 TC19 进行连接试验研究｡

本研究针对 Ti150 高温钛合金与 TC19 钛合金的异种钛合金连接，采用真空钎焊工艺方法进行连接实验，通过扫描电镜及力学性能试验对接头组织及接头性能进行了测试分析，该研究结果能为 Ti150 高温钛合金与 TC19 钛合金连接接头的应用提供一定参考｡

1、实验材料及工艺方法

1.1 实验材料

实验用基体材料为经铸轧加工的 Ti150 高温钛合金､TC19 钛合金棒坯，直径约为 Φ280 mm, 加工状态为轧制后热处理状态，其化学成分如表 1､表 2 所示｡

表 1 Ti150 合金化学成分[17 ]

Table 1 Compositions of titanium alloy Ti150(wt. %)

表 2 TC19 合金化学成分[17]

Table 2 Compositions of titanium alloy TC19(wt. %)

实验用钛合金钎焊材料 B-Ti57CuZrNi 的状态为快淬的钛基非晶态合金箔带，熔点为 883~895 ℃, 厚度约为 40 µm, 其钎料的化学成分名义成分为 57Ti-21Cu-13Zr-9Ni｡

1.2 钎焊工艺

将待焊接头的钎焊表面经过研磨､清洗，去除表面氧化膜和油污，用超声波清洗方法去除钎料箔带表面油污，然后将钎料和试样按次序装配好后入炉｡

钎焊工艺参数为：真空度优于1 ×10-2Pa,930 ℃/35 min｡对高温钛合金 Ti150 与 TC19 钛合金施焊，获得完好的钎焊焊接接头｡按 Q/6S 977-2004 中 M2504-S020 图样加工成标准的对接拉伸性能测试试样，如图 1 所示，利用万能试验机 E45.105 进行钎焊接头室温和高温 (500 ℃,550 ℃) 拉伸性能测试｡

采用扫描电子显微镜 (日立 SU1510) SEM 观察接头组织，分析元素面分布，并观察钎焊接头拉伸断口的形貌｡

2、实验结果与分析

2.1 接头显微组织分析

采取 B-Ti57CuZrNi 钛基钎料真空钎焊 Ti150 高温钛合金与 TC19 钛合金的接头钎缝组织的背散射照片如图 2 所示｡

由图 2 可知，钎缝中心虽然有部分残余钎料形成的铸造组织，在钎料层与基体材料的界面上可以清晰地看到有较厚的扩散层存在，钎料层明显变薄，且原始界面全部消失，有一定的反应层，说明此真空钎焊过程使钎料与基体材料形成了有效的冶金结合｡锆与钛是最相似的元素，有相近的熔点，也有同素异晶现象，对钛的同素异晶转变温度影响小，钛的 α 和 β 晶型与锆的相应晶型能够组成连续的固溶体｡铜､镍均属于钛合金 β 相稳定元素，可降低钛的同素异晶转变温度 [18-19]｡

钎料 Ti-21Cu-13Zr-9Ni 中铜､镍的总含量约为 30%, 虽然钎焊温度 (930 ℃) 低于 TC19 钛合金的 β 相转变温度 (约 940 ℃), 低于 Ti150 高温钛合金的 β 相转变温度 (约 1 000 ℃), 但由于钎料中铜､镍的作用使近缝区的基体 β 相转变温度降低，由图 2 的钎缝背散射组织可以看出，焊接过程中基体上扩散层区域的相发生转变，有片状 α 相生成并向钎缝中生长｡基体的原始界面已经全部弱化，钎缝整体宽度约为 165 μm, 在基体上存在一个约 40 μm 的扩散层，扩散层的存在说明钎料与基体形成了有效的冶金结合｡

2.2 界面元素分布情况分析

真空钎焊 Ti150 高温钛合金与 TC19 钛合金钎缝界面各元素面扫描分布如图 3 所示，扫描区域为 450 μm×320 μm, 覆盖整个钎焊缝，可以看出，Zr､Ni､Cu 元素面分布整体呈中间高､两端略低的分布，而 Ti､Al､Sn､Nb 元素面分布整体呈中间低､两端高分布，基体材料中的 Ti､Al､Sn､Nb 元素已经大量向钎缝中扩散；Ti､Sn 元素分布较均匀，Al 元素在钎缝中的分布相对少一些，可能与基体元素的作用及扩散速率有关；钎料中主成分元素 Zr､Ni､Cu 和基体材料作用明显，虽然Zr与 Ti 是最相似的元素，但由于 Zr 元素原子半径较大，较难通过热运动而扩散，因此在钎缝中仍存留较多的 Zr;Ni 和 Cu 元素在钎缝中的扩散分布比较相近；根据 Cu､Zr､Ni 界面分布图，符合文献 [20] 中给出的 Cu､Zr､Ni 三个元素扩散规律｡从焊缝总体来看扩散效果比较理想｡

2.3 钎焊接头的拉伸性能

高温钛合金 Ti150 与 TC19 钛合金钎焊接头力学性能测试数据如表 3 所示｡室温抗拉强度达到 955.3 MPa, 接头断后伸长率､断面收缩率相对较低，接头断于钎缝处；500 ℃抗拉强度为 540.0 MPa,550 ℃抗拉强度为 505.7 MPa,500 ℃､550 ℃测试接头断后伸长率 (10.5%､9.8%)､断面收缩率 (20.3%､21.3%) 相对都比较高，高温测试的断后伸长率和断面收缩率相比室温均有明显提高，这主要体现了高温下基体材料的塑性，接头断于 Ti150 基体，也就等同于试验用高温钛合金 Ti150 在 930 ℃/35 min 热循环后的基体性能｡拉伸性能数据曲线如图 4 所示，仅从抗拉强度看，采用此工艺钎焊的高温钛合金 Ti150 与 TC19 钛合金接头拉伸强度数据比较稳定｡

表 3 Ti150-TC19 钎焊接头力学性能数据 

Table 3 Tensile properties of Ti150-TC19 brazed joints

2.4 接头断口分析

真空钎焊接头拉伸试样的断口宏观及微观形貌照片如图 5 所示｡图 5a 是室温拉伸后断口的低倍形貌，断口的裂纹源于上方有缺陷的区域，断口缺陷处有放射状的痕迹；图 5b 是图 5a 中没有缺陷处的高倍微观组织照片，可以看出钎缝断裂界面有微观撕裂的痕迹；图 5c､5d､5e 分别为室温､高温 500 ℃､高温 550 ℃钎焊接头拉伸试样宏观断裂照片，室温钎焊接头断口比较平齐，断后伸长率､断面收缩率都很小，断定真空钎焊接头室温断裂特征为脆性断裂，500 ℃､550 ℃钎焊接头断口均断于 Ti150 基体，断后伸长率､断面收缩比较高，体现了基体材料在热循环后的基体特性，用 B-Ti57CuZrNi 钛基钎料，通过真空度优于1 ×10-2Pa,930 ℃/35 min 工艺钎焊高温钛合金 Ti150 与 TC19 钛合金，Ti150 基体端明显有延伸塑性变形，均断于 Ti150 基体上或近 Ti150 端面上｡

3、结论

(1) 采用 B-Ti57CuZrNi 非晶合金箔带作为中间层合金，在真空条件 930 ℃/35 min 下钎焊高温钛合金 Ti150 与 TC19 异种钛合金是合理可行的，钎焊接头室温抗拉强度 955.3 MPa, 高温 500 ℃抗拉强度达到 540.0 MPa, 断后伸长率为 10.5%, 高温 550℃抗拉强度达到 505.7 MPa, 断后伸长率为 9.8%｡

(2) 焊接接头室温拉伸断口断裂于焊缝，为脆性断裂；焊接接头高温 500 ℃､550 ℃拉伸断口均断于 Ti150 基体上或近 Ti150 端面上，Ti150 基体端有明显延伸塑性变形｡

参考文献:

[1] 段锐，蔡建民，李臻熙。初生 α 相含量对近 α 钛合金 TG6 拉伸性能和热稳定性的影响 [J]. 航空材料学报，2007,27 (3):17-22. DUAN Rui,CAI Jianmin,LI Zhenxi. Effect of Primary α Phase Volume Fraction on Tensile Property and Thermal Stability of Near-Alpha TG6 Titanium Alloy [J]. Journal of Aeronautical Materials,2007,27 (3):17-22.

[2] 蔡建民，李臻熙，马济民，等。航空发动机用 600 ℃高温钛合金的研究与发展 [J]. 材料导报，2005,19 (1): 50-53. CAI Jianmin,LI Zhenxi ,MA Jimin,et al.Research and Development of 600 ℃High Temperature Titanium Alloys for Aeroengine [J]. Materials Review,2005,19 (1):50-53.

[3] Chandler H. Heat Treater's guide,Practices and procedures for nonferrous alloy [M]. ASM:The Materials Information Society,1996:511-513.

[4] 中国航空材料手册编辑委员会。中国航空材料手册 (第 2 版，第 4 卷)[M]. 北京：中国标准出版社，2002.

[5] Heberard X,Hourcade M,Ferriere G,et al. Low temperature brazing (680 ℃) to Ti-6% Al-4% V titanium alloy [J]. Titanium'80 Science and Technology,1980: 2415-2422.

[6] Kaarlela W T,Margolis W S. Development of the AgAl-Mn brazing filler metal for titanium [J]. Welding journal,1974,53:629-636.

[7] Well R R. Low temperature large-area brazing of damage tolerant titanium structures [J]. Welding Journal, 1975,54 (10):348-356.

[8] Onzawa T,Suzumura A,Ko M W. Brazing of titanium using low-melting-point Ti-based filler metals [J]. Welding Journal,1990,69 (12):462-467.

[9] Pang S J,Sun L L,Xiong H P,et al. A multicomponent TiZr-based amorphous brazing filler metal for high-strength joining of titanium alloy [J]. Scripta Materialia,2016,117:55-59.

[10] 张秋平，张永寿。钛合金用钎焊材料的工艺发展现状 [J]. 飞航导弹，2005 (7):56-64. ZHANG Qiuping,ZHANG Yongshou. Development of brazing materials for titanium alloys [J]. Winged Missiles Journal,2005 (7):56-64.

[11] 李晓红，熊华平，张学军。先进航空材料焊接技术 [M]. 北京：国防工业出版社 2012.

[12] 张启运，庄鸿寿。钎焊手册 [M]. 北京：机械工业出版社，1998.

[13] 李万强。钛合金 TC6 与 TC11 高频感应钎焊工艺 [J]. 电焊机，2017,47 (05):77-81. LI Wanqiang. Study on high frequency induction brazing of TC6 and TC11 titanium alloy [J]. Electric Welding Machine,2017,47 (05):77-81.

[14] Shapiro A,Rabinkin A. State of the art of titanium-based brazing filler metals [J]. Welding Journal,2003, 82 (10):36-43.

[15] Ren H S,Xiong H P,Chen B,et al. Vacuum brazing of Ti3Al-based alloy to TiAl using TiZrCuNi (Co) fillers [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015,224:26-32.

[16] Ren H S,Xiong H P,Pang S J,et al. Microstructures and mechanical properties of transient liquid-phase diffusion-bonded Ti3Al/TiAl joints with TiZrCuNi interlayer [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2016,47:1668-1676.

[17] 赵而团，孔凡涛，肖树龙，等. IMI834 高温钛合金熔模铸造充型性能 [J]. 中国有色金属学报，2010,20: 843-846. ZHAN Ertuan,KONG Fantao,XIAO Shulong,et al. Investment casting mold filling capacity of high temperature titanium alloy IMI834 [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2010,20:833-846.

[18] 郭万林，李天文，淮军锋，等。高温钛合金 TG6 钎焊工艺与接头组织分析 [J]. 航空制造技术，2007,291: 195-196. GUO Wanlin,LI Tianwen,HUAI Junfeng,et al. Brazing Technology and Joint Microstructure Analysis of High Temperature Titanium Alloy TG6 [J]. Aeronautical Manufacturing Gechnology,2007,291:195-196.

[19] E. A. 鲍利索娃，钛合金金相学 [M]. 陈石卿译，北京：国防工业出版社，1986.

[20] 郭万林，李天文。钛合金钎缝中元素的扩散行为研究 [J]. 稀有金属，2001 (5):345-348. GUO Wanlin,LI Tianwen. Study on Diffusion Behavior of Elements in Brazing Joint of Titanium Alloys [J]. Chinese Journal of Rare Metals,2001 (5):345-348.

（注，原文标题：Ti150与TC19异种钛合金钎焊工艺与接头性能研究）