TC1钛合金蜂窝夹层结构的钎焊工艺研究与分析

陈涛

摘要：本文对TC1型钛合金蜂窝夹层结构的钎焊过程进行了分析，发现在930℃/保温15分钟，加入适量的钎料后，界面上出现TiNi2 (Cu、 Zr)，且尺寸细小、分布分散，因此，对应的钎焊试件的室温拉伸强度平均值可以达到17 MPa。铜、镍元素在钎料中扩散到母材，从而降低了母材的转变温度，从而形成了魏氏体的界面结构；由于焊料的熔融热量对芯材波纹之间的影响很大，从而使魏氏体组织变得粗大，从而使其成为焊接接头的弱点。

关键词：TC1钛合金；蜂窝夹层结构；钎焊工艺

采用硬钎焊工艺将蜂窝芯与上下面板连接，可以构成一个金属蜂窝状的夹层结构。钛合金蜂窝夹层结构以其高比强度、耐腐蚀、耐温和、耐高温等优良性能，在国内外航空航天领域得到了广泛的应用，例如飞机机身、机翼、发动机短舱排气口等。研究发现，随着钎料温度的提高和保温时间的增加，TC4钛合金蜂窝夹层结构的常温拉伸强度先增加后降低，达到15.43 MPa。TC1合金中β相含量高于TC4，能有效地抑制α+β→ β相的转化，并能很好地利用α相和β相进行焊接，防止母材晶粒长大，获得晶粒均匀、细小的焊缝组织。另外，TC1合金在室温下具有良好的塑性，这对蜂窝芯板的成形是有利的。说明TC1钛基蜂窝夹层结构在工程上有很大的发展潜力，对其钎焊技术进行深入的研究是非常有意义的。通过对TC1钛基蜂窝夹层结构的钎焊过程进行了研究，并结合焊缝的微观组织及元素分布试验，对TC1钛合金蜂窝夹层结构的室温表面拉伸强度及界面特性进行了分析和探讨。

1试验材料及方法

以 Ti—37.5Zr-15Cu-10Ni无定形箔条为实验材料。钎焊温度大于母材的相变点，在钎焊中容易发生相变，但如果钎焊保温时间太长，则会造成母材组织的粗化，从而降低力学性能，从而出现脆性接头。根据上述的分析，

测试程序由TC1合金950~960℃、830~840℃时决定。该样品具有6.4毫米直径、15毫米芯体高度和0.10毫米细胞壁厚度；面板的尺寸是50毫米乘50毫米乘0.8毫米，如在图1 A中所示。在保温15分钟，钎料厚度80微米时（钎料厚度以钎料厚度为特征），在930℃、960℃钎焊时，进行拉伸强度试验。在合适的温度下，分别选取5分钟和30分钟进行钎焊，并通过试验确定合适的保温时间。根据上述工艺条件，研究了纤维掺入量（40μ m,80μ m,120μ m）对试件拉脱性能的影响。

采用真空钎焊炉对蜂窝状夹心结构的样品进行钎焊，其真空强度不小于4x10 Pa。在各种情况下，试验样品的数目是3-4。采用Z100型通用材料试验机对其进行了拉伸强度测定，并参考 GJB130.41-86 《胶接铝蜂窝夹层结构和铝蜂窝芯子性能试验方法》。在图1 B中的第1和第2部位，制备了钎焊界面作为组织观测表面。第一位置是在蜂窝芯体中，在波纹条间进行钎焊，在第二个部位是在蜂窝芯体和面板上进行钎焊。利用扫描电镜观察了界面的微观结构，并利用能谱法对界面的元素进行了半定量的研究。通过对无定形钎料焊接后的微观结构进行了分析，并对其在钎缝中的作用进行了分析和探讨。

(a)蜂窝夹层结构

(b)组织观察位置

2.试验结果与分析

2.1钎焊工艺优化

蜂窝夹心结构试件的室温拉伸强度试验结果和平均方差见表1。在930℃下，随着保温时间的延长，拉伸强度由5分钟、15分钟到30分钟逐渐增大，而拉伸强度则由15分钟开始下降。从而得出了焊接温度为930℃，焊接时间为15分钟。在930℃/15分钟的钎焊过程中，随着钎料的加入量从40μ m、80μ m到120μ m的增加，钎焊件的平均强度为20.7 MPa,17.75 MPa,19.03 MPa，均方差为4.4819,0.3036,2.2710。为了获得强度稳定、强度水平较高的钎焊试件，在不同的工艺参数下强度和均方差进行了比较，得出了930℃、保温15 min、80μ m厚钎料的钎焊条件。

表1试件拉脱强度测试结果

试验条件		拉脱强度/MPa				平均值	均方差
温度/℃	930	17.26	17.76	17.93	18.06	17.75	0.3036
	960	15.32	15.86	16.20	16.46	15.96	0.4260
时间/min	5	12.97	15.96	21.02	-	17.24	2.3106
	30	14.44	15.22	19.45	-	1637	2.2010
钎料增加量/μm	40	17.66	18.48	25.96	18.45	20.70	4.4819
	120	15.98	18.08	19.90	22.14	19.03	2.2710

2.2界面组织分析

观察了焊接接头的结构。观测点主要有：蜂窝芯与面板的连接处，以及蜂窝芯波纹条间的连接处，也就是图1 B中的第1、第2位。

在最佳工艺条件下，接近于接触面的基材受到钎料的熔融和凝固作用，产生了局部的组织生长。它的平均宽度大约为20微米，是一种比母材更粗的等轴 a组织，见图2 A中的1区域。如图2 A所示，蜂窝芯与面板的钎焊界面可分为钎料凝固区与扩散区。扩散区位于界面中心，呈针状的 a B型魏氏体组织，其平均宽度为80微米，见图2 A的 I II区域。钎料凝固区位于图2 A的 III区，此区含有较多的 Zr元素，在后向散射电子作用下，它的成像衬度较大，呈现白色亮光，但 Ti含量较高的 I、 II区 Ti含量较高，衬度较差。

在图2 Xb中显示了蜂窝芯波纹条之间的焊接界面结构。结果表明，这种钎焊界面的魏氏结构比蜂窝芯和面板的钎焊界面要粗。在同样的受热条件下，薄壁零件的温度升高，内部温度升高，从而使组织变得更加粗糙。蜂窝芯材是利用点焊的金属箔条经钎焊而成，因此，在一定的钎料熔融热作用下，蜂窝芯内部波纹带的钎焊界面扩散区面积较大，扩散区组织较厚。

将焊接后的母材和界面中的元素进行比较（见表2和2 A)，可以看出，在钎焊期间， Ti从母材向钎料扩散， Zr、 Cu、 Ni从钎料中扩散到母材。参照合金元素对 Ti的影响，发现 Zr是中性元素， Cu和 Ni是 B相的稳定元素，所以铜、镍从钎料向母材扩散会导致 B相转变的温度下降，从而有利于魏氏体的形成。

表2界面元素含量的能谱分析结果（质量分数）

材料	位置	Ti	Zr	Cu	Ni
钎料	1	78.17	12.73	5.58	2.49
	2	37.27	31.74	18.00	12.24
母材	3	72.30	17.33	6.56	2.66

3结论

对TC1钛合金蜂窝夹层结构的钎焊工艺过程进行了实验研究，通过对最佳焊接工艺条件下的纤维焊接界面的观察与分析，得到如下结果。

(1)钎焊时，在930℃，保温15分钟，钎料添加适量，钎料尺寸较小，且呈弥散状，钎焊TiNi2 （Cu, Zr）的合金相具有较高的拉伸强度平均值，达到17 MPao。

(2)在钎焊时，铜和镍从钎料中扩散到母材，降低了 B转变温度，从而有利于魏氏体的形成；非晶钎料通过钎焊而形成 TiNi, Cu, Zr, Ti的固溶体。

参考文献：

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