摘要： 采用Ag-Cu-Ti釬料對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行真空釬焊；采用金相分析、掃描電鏡對(duì)釬縫的組織結(jié)構(gòu)、元素分布情況進(jìn)行分析，并對(duì)焊件的整體力學(xué)性能進(jìn)行拉伸測(cè)試。結(jié)果表明，TC4合金板真空釬焊搭接接頭處抗剪強(qiáng)度在200MPa以上，釬焊接頭處總體的力學(xué)性能優(yōu)于母材；釬縫與基體相臨的部位析出了彌散相，釬縫處有Cu的固溶體析出；焊接接頭中的主要元素Ti、Al、V、Ag、Cu呈規(guī)律性分布，釬縫及擴(kuò)散區(qū)域得到以細(xì)小筍狀的方式生長(zhǎng)的Cu基固溶體，是為Ag-Cu共晶組織。

　　Abstract： Vacuum brazing of TC4 was carried out with Ag-Cu -Ti filler metal. Organizational structure， element distribution of brazed joints were investigated by means of scanning electron microscopy and metallographic microscope， and the joint whole mechanical property was determined by tensile testing method. The results show that shear strength for the brazing joint of TC4 titanium alloy is above 200MPa and whole mechanical property of the brazing joint are better than base metal. Dispersed network phase form between base metal and brazing seam， and Cu-based solid solution separate out in the brazing seam. Ti， Al， V， Ag and Cu of the brazing joint were regular distribution. Ag-Cu eutectic structure of brazing seam and diffuse region were grown by slender and small bamboo shoots mode.

　　關(guān)鍵詞： Ag-Cu-Ti；真空釬焊；顯微組織

　　0 引言

　　TC4合金中鈦的含量很高，鈦是活性很強(qiáng)的金屬材料，在高溫下容易與N2、H2、O2反應(yīng)，并同其它許多金屬反應(yīng)生成脆性金屬間化合物，在600℃氧與鈦發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，800℃氧化膜開(kāi)始向鈦中溶解擴(kuò)散，氮與鈦在高溫下則形成脆硬的氮化鈦，對(duì)鈦的塑性影響較大，氫的存在則由于γ（TiH2）相析出，也同樣使其塑性、韌性降低[1]。采用真空釬焊選擇合適的釬料，可以避免高溫情況下，氧、氮、氫各種氣體元素對(duì)TC4合金釬縫性能的影響，從而提高接頭的力學(xué)性能[1]。在鈦及鈦合金的焊接中，釬焊適于焊接受載不大或在常溫下工作的接頭，對(duì)于精密的、微型復(fù)雜的及多釬縫的焊件尤其適用[2]。在一些鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)、薄壁精密結(jié)構(gòu)的制造工藝中，由于釬焊連接具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而愈來(lái)愈受到重視，對(duì)鈦合金用釬料的研究也逐漸成為釬焊領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[3]。由此，了解TC4鈦合金真空釬焊接頭微觀組織結(jié)構(gòu)及元素分布情況是十分必要的。

　　1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)?zāi)覆牟捎煤穸葹?mm的TC4鈦合學(xué)成分見(jiàn)表1。

　　要得到組織和性能滿(mǎn)意的釬焊接頭，釬料必須能較好地潤(rùn)濕母材并能填滿(mǎn)接頭間隙。此外，釬料的焊接溫度必須低于TC4的相變溫度，否則將引起母材β晶粒長(zhǎng)大，從而影響材料的性能。試驗(yàn)用釬料采用 Ag基Ag-Cu系釬料Ag-Cu-Ti，其熔化溫度為779～820℃。

　　1.2 試驗(yàn)方法 目前的釬焊技術(shù)和釬料所形成的焊件的性能與其原始基體金屬的性能水平相差不多。鈦合金的本質(zhì)決定了其釬焊的主要溫度和時(shí)間局限性。總的來(lái)說(shuō)，使用焊料并在釬焊溫度低于β相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)可獲得優(yōu)良機(jī)械性能的鈦釬焊部件。

　　接頭形式：本試驗(yàn)所用的材料為1mm的TC4板材；搭接接頭。接頭形式見(jiàn)圖1。薄件為裝配方便，搭邊長(zhǎng)度L=（4～5）δ；δ——待焊工件厚度[4]。由此得L=4δ=4mm。

　　接頭的裝配間隙大小是影響釬焊焊縫致密性和接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。熔態(tài)釬料在釬縫中作直線流動(dòng)，釬縫的毛細(xì)能力起很大作用，毛細(xì)能力又與釬縫的類(lèi)型和釬縫間隙的大小有關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，釬縫間隙小比間隙大的釬縫的直線流動(dòng)性更好，但也不是越小越好，釬縫間隙的最佳值在0.01～0.2mm之間，具體數(shù)值視母材的種類(lèi)而定[5]。在不影響釬料填充的前提下，釬焊間隙越小越好[6]。此次試驗(yàn)銀基釬料，鈦合金焊接裝配間隙取為0.05mm。

　　在釬焊溫度下，一方面要使釬料熔化，在毛細(xì)管作用下填滿(mǎn)接頭間隙，并與基體金屬進(jìn)行合金化作用；另一方面使基體材料完成熱處理程序中的某一步驟（固溶或淬火）[6]。真空釬焊設(shè)備為“真空擴(kuò)散焊機(jī)-6”；其最高加熱溫度為1650℃，壓力為15ton，真空度為1×10-5torr，釬焊工藝參數(shù)如表2。

　　焊接完成后，對(duì)釬焊試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；并對(duì)接頭進(jìn)行顯微金相分析，同時(shí)用掃描電鏡對(duì)釬焊界面的元素分布及組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1 拉伸試驗(yàn)分析 在“CMT53.5微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)”上拉伸實(shí)驗(yàn)，四組釬接試樣均從搭接接頭（焊縫）邊緣并靠近接頭處斷裂，如圖2，這說(shuō)明焊接接頭處所能承受的最大拉力大于母材，按照此拉力核算，搭接接頭處抗剪強(qiáng)度應(yīng)在200MPa以上，由此可知，釬焊焊件的接頭處總體的力學(xué)性能要優(yōu)于母材，焊件總的力學(xué)性能較好，焊接情況優(yōu)良。 　　2.2 金相分析 對(duì)釬焊試件外觀檢查發(fā)現(xiàn)其變形很小，裝配較好，焊接情況良好。釬焊接頭的金相試樣經(jīng)Kroll 侵蝕劑（2mlHF+5mlHNO3+93mlH2O）進(jìn)行侵蝕后，用XJP-2B型臺(tái)式金相顯微鏡對(duì)釬焊接頭進(jìn)行金相觀察，圖3為釬焊焊縫100倍照片，從照片中可以看出，焊縫較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)污染變質(zhì)等不良現(xiàn)象。

　　釬焊比較適合對(duì)鈦合金進(jìn)行焊接，就是由于釬料易于與鈦合金基體合金化，但是這種合金化容易使焊縫變的硬而脆，使材料塑性和強(qiáng)度降低。但是由圖4不難看出，基體為細(xì)小α+β雙相等軸晶體，釬焊縫中心淺灰色的為共晶的釬料組織，釬焊縫兩側(cè)是釬料向母材擴(kuò)散形成的擴(kuò)散層，在與基體相臨的部位由于析出了彌散相，故易受腐蝕而呈深色。

　　從圖中可以看出在釬焊焊縫處的釬料均以筍狀的方式生長(zhǎng)，較細(xì)小，這是由于有細(xì)小針狀Cu的固溶體析出；在焊縫中間處可能出現(xiàn)了Ag-Cu共晶；但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的金屬化合物，從而沒(méi)有因?yàn)槌霈F(xiàn)金屬化合物而使接頭處的塑性、韌性降低。

　　2.3 掃描電鏡分析 為了進(jìn)一步對(duì)真空釬焊接頭處的組織結(jié)構(gòu)及元素分布情況進(jìn)行研究，對(duì)真空釬焊接頭用“CamScan MX2600FE型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡”進(jìn)行掃描，并對(duì)部分區(qū)域及點(diǎn)進(jìn)行能譜分析。由圖5可知元素分布具有較強(qiáng)的規(guī)律，母材和釬縫之間元素進(jìn)行了擴(kuò)散；如圖6，筍狀區(qū)域即為釬料生長(zhǎng)擴(kuò)散區(qū)域；但由于焊接保溫時(shí)間較短（僅10min），釬料和母材之間的元素?cái)U(kuò)散不完全；結(jié)合圖5和圖6可以看出，在釬縫及釬料筍狀生長(zhǎng)擴(kuò)散區(qū)域處Ag、Cu的譜線均成鋸齒狀，且Ag的峰值對(duì)應(yīng)Cu的低谷，由此可知此區(qū)域形成了典型的Ag-Cu共晶組織，其灰黑色組織為Cu基固溶體，白色相為Ag基固溶體。圖7是在釬料生長(zhǎng)擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的筍狀釬料上所打的能譜，由（b）可以看出，Cu的衍射強(qiáng)度較高，在此區(qū)域中Cu形成的固溶體成細(xì)小的筍狀，因?yàn)樵谶@些元素中Ag的原子序數(shù)最高，所以這個(gè)區(qū)域中可能有Cu基固溶體中析出的富Ag相，這需經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)才能驗(yàn)證。

　　3 結(jié)論

　　①TC4合金板真空釬焊接頭處所能承受的最大拉力大于基體，搭接接頭處抗剪強(qiáng)度在200MPa以上，焊件接頭處總體的力學(xué)性能優(yōu)于母材，焊件總的力學(xué)性能較好。

　　②釬縫與基體相臨的部位析出了彌散相，易受腐蝕；在釬焊焊縫處有Cu的固溶體析出，均以筍狀的方式生長(zhǎng)并較細(xì)小，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的金屬化合物。

　　③焊接接頭中的主要元素Ti、Al、V、Ag、Cu呈規(guī)律性分布，釬縫及擴(kuò)散區(qū)域得到Ag基固溶體及以細(xì)小筍狀的方式生長(zhǎng)的Cu基固溶體，是為Ag-Cu共晶組織。

　　④釬料生長(zhǎng)擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的筍狀釬料上的Cu基固溶體中可能析出富Ag相，這需后續(xù)多次實(shí)驗(yàn)才能驗(yàn)證。

　　參考文獻(xiàn)：

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