Ti2AlNb基合金钎焊性研究

第３１卷增刊１航空材料学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳＶ０１．３１，Ｓ１Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１ｌ２０１１年１２月Ｔｉ２ＡＩＮｂ基合金钎焊性研究吴松，侯金保，张蕾（北京航空制造工程研究所。北京１０００２４）摘要：研究了不同钎焊工艺对Ｔｉ：ＡＩＮｂ合金接头组织的影响。选取Ｔｉ—ｃｕ—ｚｒ—Ｎｉ粉末钎料，在不同的钎焊温度和保温时间钎焊，采用光学金相显微镜、扫描电镜、能谱对接头的组织研究。结果表明：接头组织与母材组织相差较大，中间有双相脆性中间层组织产生。延长钎焊时间，接头中间层化合物分解，接头组织为平衡相（Ｂ２＋ａ２）。焊缝间隙对接头焊合率影响明显，室温接头抗拉强度达到母材强度７０％。关键词：钎料；Ｔｉ２ＡＩＮｂ合金；组织；工艺参数Ｔｉ，Ａｌ基合金具有熔点高、密度低、刚性好、强度高、高温抗氧化性强等优点，其最高使用温度达８１５。Ｃ，远远超过普通钛合金的使用温度。因而成为有巨大应用潜力的先进高温结构材料。与其他金属间化合物一样，Ｔｉ，Ａｌ基合金的室温塑性和断裂韧性较低，在８００。Ｃ以上抗高温蠕变和抗高温氧化性能较差，这在很大程度上限制了Ｔｉ，Ａｌ合金的实际应用。高铌Ｔｉ，Ａｌ合金体系利用高熔点组元Ｎｂ提高合金的熔点和有序化温度从而提高合金的使用温度至８５０℃以上，同时兼有密度小（４．３２—４．７２９／０相Ｔｉ：ＡＩＮｂ基合金作为一种新型材料，目前对该合金焊接的报道多见于真空扩散焊和电子束焊¨“１。本工作以０相Ｔｉ：ＡＩＮｂ基合金为母材，采用真空钎焊方法研究不同工艺参数、不同焊缝间隙对接头微观组织和相成分的影响，实现Ｔｉ，ＡＩＮｂ合金的优质连接，为该材料在航空航天领域的应用提供技术支持。１实验ｃｍ３）、晶体结构简单和易于通过组织控制改善性能的优点。研究高温下强度高、抗氧化性能好的高铌钛铝基合金已经成为新型超强金属间化合物的重要发展方向之一。１．１实验材料实验采用钢铁研究总院研制的Ｔｉ：ＡＩＮｂ合金作为母材，Ｎｂ含量高于２０％。具体成分见表１，室温组织为：基体相Ｂ２＋颗粒状Ｏ相。Ｔｉ：ＡＩＮｂ合金钎焊常用的钎料多为银基钎料和钛基钎料，也有一些采用其他钎料如镍基、金基、钯基钎料钎焊钛铝合金。银基钎料熔点低，钎焊接头强度较低，不能满足航空航天零部件的实际使用。因此本工作选用钛基钎料进行Ｔｉ：ＡＩＮｂ合金钎焊。此类钎料对钛合金润湿性能好，表面铺展能力强。钎料选用自行研制的２００目Ｔｉ．Ｃｕ－ｚｒ．Ｎｉ粉末钎料。固相线温度（ＴＳｌ）和液相线温度（ＴＬｌ）分别为８８００Ｃ和９１０℃。表１Ｔａｂｌｅｌ当Ｎｂ含量（原子分数，下同）为２３％一３０％时，合金室温组织除基体相Ｂ２外，还含一定量的第二相Ｔｉ：ＡＩＮｂ（又称Ｏ相），所以高Ｎｂ合金又称Ｔｉ：ＡＩＮｂ相合金或Ｏ相合金。与ｄ２、超仅２合金相比，Ｔｉ：Ａ１Ｎｂ相合金具有更好的综合性能特别是室温塑性，将用作航空航天、能源、交通等领域的高温结构材料，工作温度范围为６００—７５０℃。Ｏ相Ｔｉ：ＡＩＮｂ基合金是目前Ｔｉ，Ａｌ基合金研究中的热点之一【２一引。对于Ｔｉ，Ａｌ基合金的研究，国内研究比较广泛。主要的焊接方法有电子束焊、激光焊、摩擦焊、钎焊。Ｔｉ－２２Ａ１－２５Ｎｂ合金化学成分（质量分数／％）ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＴｈｅｏｆＴｉ－２２ＡＩ－２５Ｎｂａｌｌｏｙ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／％）坚竺三翌：：（：：１ｊ１０竺；？！竺。：２竺：：Ｚ作者简介：吴松（１９８５一），男，硕士，工程师，（Ｅ．ｍａｉｌ）ｂｕａａｓｙ、…１．２实验方法一…。＠１６３．。。ｍ。Ｔｉ：ＡＩＮｂ合金焊前进行表面处理，分别选用４００。，８００。，１２００。砂纸打磨试样表面，丙酮超声波万方数据Ｉ＇ｉ，ＡＩＮｂ甚台龟钉蜱性研究清洗，采ＪＩｊ搭接方式装配试样．将０Ｉｉｎｔｏ厚的小ｚｒ等６种元素埘成的原于半径为：ｒＬ＝０１５７删．ｒ、，＝Ｏ１６２Ｏ２０８锈钠垫片必在试样连接而Ｍ端．川氩弧点焊定位。凉攫粉本¨－ｃｕ—ｚｆ－Ｎ・钎料于试样ｌ：方，川耕结刺ｎｍ．‘¨＝０Ｉ８２ｎ＿ｎ．‘ｔ＝０２００…７、ｂ＝ｒⅢ¨，＝０２１６ｎｍ‘４弛ｈｂ．Ｚｒ的原Ｆ、Ｆ径太．老化将准箭好舯焊接谴样放＾商谳批窜钎焊炉巾．钎焊时粉未钎料流＾缝隙中形成接头，钎焊＊最高加热温度为ｌ３５０＇；，其空度优于１ｘ１０’Ｐａ．钎焊后的试样随炉冷却。来用光学金丰Ｈ品傲镜、打描电镜，能谱分析等手段对不州丁艺的钎焊接头组织进行分析。往其他条什相同的情况下，ＮＩＪ．ｚｒ劬扩敞能力小、凼此．№，ｎ足钎缝１６ｃ分均匀化的扩敞卡控元常保沮时间较短，蜱缝中心Ｋ域寓撰牧多的ｚｒ．ｃｕ兀索，发４Ｉ：共品反应形成脆性化台物拱。根据元素舍域肚相圈．媛化台物槲冉＾Ｉ和Ｎｈ的的Ｆｉ：（ｃｕ．Ｎｉ．卅）‘ｏＴｉ（Ｃｕ．Ｎｉ，Ｚｒ）般相组织。双相小缀之问存在馓裂纹，造魁ｍ于建两相组织膨胀系数４；同，在冷２实验结果及讨论２．Ｉ接头显徽组织分析根槲ｒｉ，ＡＩＮｂ台丧的同溶处理温度及自｝璇计的钎料成分特点制定Ｔｉ、ＡＬＮｂ合金的钎焊Ｉ：艺９５０℃／２０Ⅲ叭４０ｍｌｎ降刮８８０℃／Ｉｈ用艘九镜１Ｉ祝｛盘查焊后试样．在婀钎料与母材润泓良好．钎抖铺展性能和填缝能力都比较好嘲ｌ为该上艺的接头组织，金桕《【织及电镜纽ｇｌ结粜出明：焊缝中心嚣域有一瑶叫显的化合物相一时其墩进一步分析．接头几素线扫描冈如图２所示．ｃｕ．ｚｒ兀摩在弹缝中心区却凝闻时．产生内应力．出现微观裂纹。脆性组织层舳存在将严重影响接头的力学性能。化合物堪峭侧的区域为舍Ｂ２（禽Ｔｉ，ＡＩ．№Ｎｉ，Ｃｕ５种兀索）棚。该尻域张加热过程巾首先形成高泓相１３中柬水及转变成平衡相（Ｂ２㈨Ｏ成Ｂ２啊｛延长钎焊保温时问．母材进的Ｈ状品．高温１３往状曲０随后的快琏冷却过程２捌）而“摧变采川Ｊ艺９５０℃／３０ｒａｉｎ．４０ｍｌｎ降到８８０℃／２ｈ钎焊’ｒｉ，ＡＩＮｂ音盒，观察接头组织彤貌如图３所示ｃ步与焊缝巾的被卷仓膳反应溶解．焊缝宽度娈宽．ｚｒ．ｃｕ元襄向惮缝婀侧充分扩敝焊缝中心腻的化台物膳消失。靛个焊蹙组织由１３俐直接转变私｜到的杜状毗棚．出现明缸的峰值．对炸缝辑区域成分进行能供测试结粜Ｍ裘２巾闸“和件材存有ｃｕ，ＮＩ．ＡＩ．ｒｉ．Ｎｋ目Ｉ＊＊＆女目‰（ａ）☆“ｍｍ．（ｈ）目＃ｑ＊自ｌｍＦｉｇＩＴｈｅｍ…１ｗｒＩ…ｏＥｂⅢｚｉｎｇｌｏｉｎｔｆｄ）０Ｍｍ…，ｌｕｗｌ…ｆｂ）ｓＥＭ…ｍｓＩｕｍｌｕ＾２ｒｅ藤目２＊＊＆ｒＩ＃目Ｆ。Ｅ２Ｍ＃ｍ＊＊Ｋ＃ｍ＂【ｍ＊＊＃／％）ＴｈｅＴａｂｌｅ２∞Ｍ（…Ｉｍｅｔｉｏｎ／＊）ｔ…，１１ｌ…ｕｆｏｉｌＬｔ】ｔＩｄｉｆｆｍｎｌＬｉｎｅⅢｎｎｌｎｇ…ｃｏｆＪＯｌｌｌｔ万方数据第３Ｉ眷月３＊＊｝Ｉ镕ｍⅢｍｍＦｉＢ３Ｔｈ＿ＳＥＭＪ…・ｆＩ，｝ＩｎＪｔＩＩｌ“ｓ・，ｆ“）☆¨ｍｍ（ｈ）ｆ１％№《＊虮ｈｗｉｎｇｌｏｉｎｌ《ｎ）（ＩＭｍ…ｓｔｕｒｒ２…（１－１ＳＥＭｍ…ＩｕｒｃＩｕｍ２２焊缝间隙对焊台幸的影响ｑｆ究烨缝ｆｎＪ《‘』ｔ接头焊台串们影响分别选取试十谴样的焊台卑盆帽站果见嘲４。测试结果表目ｊ．柙缝川隙＾的试样３ｌ焊合卑只有７０％．焊缝间隙小的４‘试样，接头各处成分均匀烨台串超过９５％，Ｔｉ：ＡＩＮｂ台金钎埠对岬缝州隙的太小仆常敏感，在平丽崖低的情况Ｆ，群缱接虫饭射出现术焊台缺陷，样进行ＯＳＯｔ／２０ｍｉ．４０ｍｉｎ降到８８０’ＪＩｈ的工艺试验．扎・ｌ；３’试佯焊前牲＾ｄ时有ｎ∞¨－ｍ的问隙；４’试佯烨前装ｎｃ时接头问隙蚯似丁０，烨后分别测聃Ｉ．述两曷鬣黎秽四｝罄燮霎黪、・鬣越滏豳。：ｊ！豢妻二。ｉ凌潮’＇一番镄翟．一一ｊ－一一“精鞲ｌ嚣■■■■—Ｌ』上二上兰二三二＿■—．———一月４ｉｇ４３‘４‘ｎｌＴ＃＊☆自ｍ‰ｍ（ｕ）ｒＲ”（ｂ）４‘ｍ样１ｈｏＭｍ～‘ｔｎＩｒⅢ＂，ｏｆｈＨ踟ＥＩｏｉｎｌ（ｎ｝３‘…ｐｌ。；（ｈ’４’”ｍｐｌｅ于虽然牡恢ｆ艺下接头元素扩散均匀，但接头组纨与雌材组ｇ｝存在较大最”，未能形成娄ｆＩ＝【的基体相Ｂ２十颗粒状０相。从断口彤貌看，钎料在表面谰湿良２３Ｔｉ，ＡＩＮｂ台金力学性能测试采用Ｊ：芝９５０“Ｃ／３０ｍｉｎ．４０ｒａｉｎ降刮８８０１Ｃ／２ｈ测试钎焊接又力学排能结果见击３所Ⅱｉ．祚该Ｌ艺下接头抗扎慢廑为母村强度７０％分析上要腻Ｗ址山＆３ＴＭ，ｌｅ３虾．似屉缺少明显的台金化廿柙．影响了接头强度。Ｔｉ，＾“ｈ☆女镕女々Ⅲ¨”％＆Ｉ＇ｃｎｓｉｌｅ｛ｔ＂“ⅣｈｏｆＴｉ．ＡＩＮｈａｌｌｏｙ，ｕｉｌ）ｔ…ｎ＇Ｉｃｎｌ＂”ｌｕｒｅ心Ｍ为化台物组织．两侧由Ｂ２相固溶体组织珂王成。３结论（１）采川钍基钎料对Ｔｉ，ＡＩＮｈ☆盘进行丁不同岂罄敬的钎柞试鳙．得到的钎焊维绒为钉蚪缝巾延长钎焊时问，接头中间化台物层分解，焊缝宽度坐宽、（２）焊缝问隙严雨影响接头焊合半．为ｒ提高抖台率．应提高焊接面平丽度。万方数据增刊ｌＴｉ：ＡＩＮｂ基合金钎焊性研究展［Ｊ］．宇航材料工艺，２００６，（３）：１０—１３．［４］ＬＩｓｉｌｅＳｈｉ－ｑｉｏｎｇ，ＭＡＯＹｏｎｇ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓｏｆＭｅｔ１２ｌ（３）Ｔｉ：ＡＩＮｂ合金钎焊接头强度为母材强度７０％。Ｏｉｌｔｅｎ－ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃＳｏｅＣｈｉｎａ，Ｔｉ２ＡＩＮｂａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ参考文献：［１］陈国良，林均品．有序金属间化合物结构材料［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９９．２００２，１２（４）：５８２—５８６．［５］朱瑞灿，谢美蓉，张益坤，等．焊接规范对Ｔｉ：ＡＩＮｂ基合金电子束焊接接头性能的影响［Ｊ］．制造技术研究，２００９，（８）：２８—３０．［２］ＭＡＯＹ，ＬＩＳＯ，ＺＨＡＮＧＪＷ，ｅｔａ１．ＭｉｃｒｏｓｔｒａｃｔｕｒｅａｎｄｏｎｈｏｒｈｏｍｂｉｃＴｉ－－ＡＩ．Ｎｂｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ［６］邹贵生，白海林，谢二虎，等．Ｏ相合金Ｔｉ．２２ＡＩ－２５Ｎｂ固态扩散连接［Ｊ］．中国有色金属学报。２００８，１８（４）：５７７—５８２．［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ，２０００，（８）：６５９．［３］司玉峰，孟丽华，陈玉勇，等．Ｔｉ：ＡＩＮｂ基合金的研究进ＳｔｕｄｙｏｎＢｒａｚｉｎｇＡｂｉｌｉｔｙｏｆＴｉ２ＡＩＮｂＢａｓｅＡｌｌｏｙＷＵＳｏｎｇ，ＨＯＵＪｉｎ—ｂａｏ。ＺＨＡＮＧＬｅｉ（ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２４，Ｃｈｉｎａ）：Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｒａｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｐｈａｓｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｏｔｈｅＴｉ２Ａ１ＮｂａｌｌｏｙＷａｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＵｓｉｎｇＴｉ－Ｃｕ—Ｚｒ－Ｎｉｓｏｌｄｅｒｓ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＯＭ），ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｗｅｒｅｊｏｉｎｔｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌ（ＳＥＭ）ａｎｄｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＥＤＳ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｔｈｅｂａｓｅｍｅｔａｌｊｏｉｎｔｔｈｅｒｅｗｅｒｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｉｔｈｊｏｉｎｔｓ．Ｉｎｔｈｅｂｒｉｔｔｌｅｐｈａｓｅｓ．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｂｒａｚｉｎｇｔｉｍｅ，ｔｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄｏｆｊｏｉｎｔｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｗｈｉｌｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｐｈａｓｅ（Ｂ２＋ｄ２）ｗｅ增ｊｏｉｎｔａｔｉｎｔｈｅｂｒａｚｉｎｇｓｅａｍ．Ｂｏｎｄｉｎｇｒａｔｅ．ｏｆｔｕｒｅｊｏｉｎｔｗａｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｂｒａｚｉｎｇｓｅａｍｇａｐ．ＴＩｌｅＴｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｂｒａｚｉｎｇｒｏｏｍ—ｔｅｍｐｅｒａ－ｒｅａｃｈｅｄ７０％ｏｆｔｈｏｓｅｏｆｔｈｅｂａｓｅｍｅｔａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｄｅｒ；Ｔｉ２ＡＩＮｂａｌｌｏｙ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒ万方数据Ti2AlNb基合金钎焊性研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

吴松， 侯金保， 张蕾， WU Song， HOU Jin-bao， ZHANG Lei北京航空制造工程研究所,北京,100024航空材料学报

JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS2011,31(z1)

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