钛合金和钛铝金属间化合物的扩散连接优化方案

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【摘要】：由于Cu基钎料和Ni基钎料容易和Ti发生反应形成金属间化合物，一般不作中间层或钎料使用。图2-3-23 超塑性成形扩散连接接头质量与压力及时间的关系图2-3-24 钛合金的晶粒度对连接时间和压力的影响2.Ti3Al金属间化合物的扩散连接Ti3Al具有良好的高温性能，与镍基高温合金相比可减轻重量40%。因此，在进行Ti3Al的扩散连接时，应尽量降低Ra值。Ti3Al合金的超塑成形扩散连接温度范围通常在1273K左右，所需的连接时间根据连接温度而定。

1.钛合金的扩散连接

纯钛是一种银白色的金属，密度为4.5g/cm³，是铁的57%。钛合金的工作温度可达723～773K（450～500℃），耐蚀性好，在300～500℃的工作温度下耐蚀性与不锈钢相当。钛合金在航空航天领域常用来制造压力容器、储箱、发动机壳体、卫星壳体、构架、发动机喷管延伸段。Apollo登月飞船上的压力容器，70%以上是用钛合金制造的。

钛合金扩散连接时，Ti表面的氧化膜在高温下可以溶解在母材中，在5MPa的气压下，可以溶解TiO₂的质量分数达30%，故氧化膜不妨碍扩散连接的进行。相同成分的钛及其合金扩散连接接头组织中没有原始界面的痕迹。

钛合金能吸收大量的O₂、H₂和N₂等气体，不宜在H₂和N₂气氛中进行扩散连接，应在真空状态或氩气保护下进行。连接温度应选取比钛合金β相转变温度（1269K）低50℃，优选的温度范围为1123～1273K，连接时间以15～30min为宜，连接压力可选2～30MPa。对于大面积钛合金扩散连接，可采用加中间层进行扩散钎焊，中间层主要采用Ag基钎料、Ag-Cu钎料、Ti基钎料。由于Cu基钎料和Ni基钎料容易和Ti发生反应形成金属间化合物，一般不作中间层或钎料使用。

航空航天领域典型钛合金扩散连接构件的形式见表2-3-3，主要用于蜂窝结构、网格芯、薄壁夹层平面和曲面壁板、各种截面的带肋壁板、薄壁波纹管和变截面长型材毛坯。表中DB表示焊缝位置，H表示构件高度，δ_p、δ₀和δ₃分别表示底板、肋板和蜂窝板的厚度。

表2-3-3 典型扩散连接构件

钛合金（TC4）的扩散连接参数规范比较宽，温度范围为850～930℃，压力为1～3MPa，保温时间为30～90min，应在真空度为1.33×10^-3Pa左右或氩气保护下连接，接头强度可达母材的90%以上。

钛合金应用最普遍的连接方法是超塑成形扩散连接（SPF/DB），所选择的温度与通常扩散连接所用的温度大体一致，但变形速率应小于一定的数值，所加的压力也比较小，同时压力与时间有一定的联系。为了达到100%的连接，必须保证连接面可靠接触，接头连接质量与压力和时间的关系如图2-3-23所示。在实线以上为能够获得可靠连接的区域，在虚线以下不能获得良好的接头质量，接头连接率小于50%。

钛合金原始晶粒度对扩散连接的质量也有影响，如图2-3-24所示。从图中可知，原始晶粒越细，获得良好扩散连接接头所需要的时间越短、施加的压力也越小，因此，超塑性成形扩散连接工艺要求钛合金母材必须具有细晶组织。

图2-3-23 超塑性成形扩散连接接头质量与压力及时间的关系（T=1212K，真空度小于1.33×10^-3Pa）

图2-3-24 钛合金的晶粒度对连接时间和压力的影响

2.Ti₃Al金属间化合物的扩散连接

Ti₃Al具有良好的高温性能（1073～1123K），与镍基高温合金相比可减轻重量40%。美国已将Ti₃Al用于制造喷气涡轮发动机上的尾喷燃烧器。

图2-3-25是连接温度1263K和12MPa压力条件下连接时间对抗剪强度的影响。随着连接时间从15min提高到30min，接头的抗剪强度迅速提高，连接时间超过30min之后，接头强度的上升速度变慢。当连接时间为70min时，接头的强度接近母材，但连接时间继续增加，由于晶粒的粗化和长大，接头的强度反而降低。图2-3-26是连接温度对接头抗剪强度的影响（连接压力为9MPa，连接时间为30min）。在1073～1113K温度范围内，接头的强度较低且变化缓慢；连接温度超过1113K时，接头的强度迅速提高；在1213K时达到751MPa。

对接头组织进行分析可知，连接温度在1083～1143K、压力为6MPa时，由于Ti₃Al金属间化合物的高温屈服强度高，材料的表面很难微屈服和接触紧密，因而接合界面处存在许多空洞等缺陷。随着连接温度的升高，材料的高温屈服强度下降，界面处产生的空洞明显减少，在连接温度为1213K时，几乎未见空洞的存在。当连接温度为1263K、连接时间提高到70min时，两侧的母材晶粒向界面长大，由于产生再结晶过程和晶界迁移而使界面明显消失。

Ti₃Al合金表面的粗糙度不同，扩散连接时所需的临界压力也不同，在同样连接温度和时间下，表面粗糙度为Ra0.2μm的试件，完全焊合所需的压力比Ra1μm试件所需的压力要低。而在同样压力下，达到完全焊合时，表面粗糙度值越大，所需的温度就较高。而且Ra越小，其完全焊合区就越大，越易于进行扩散连接。当主要工艺条件p、T中的一个参数一定时，Ra越小可以适当降低另一个的参数值。因此，在进行Ti₃Al的扩散连接时，应尽量降低Ra值。

Ti₃Al合金的超塑成形扩散连接温度范围通常在1273K左右，所需的连接时间根据连接温度而定。图2-3-27是温度与连接时间的关系曲线，从图中可以看出，在压力不变的情况下，随着温度的升高可适当减少扩散连接时间。

图2-3-28是Ti₃Al超塑性成形扩散连接压力和时间的关系曲线，其连接条件为T=1253K、Ra=0.2μm。图2-3-28中曲线的右上方为完全焊合区，左下方区间内的连接规范不能获得完全焊合的接头。由图2-3-28中的曲线可看出提高扩散连接压力能显著缩短扩散连接时间，同时还可以看出只要压力选得很高，扩散时间可以很短。但压力太大容易对扩散连接带来许多不利影响，因此在实际生产中一般不采用这种连接参数。

图2-3-25 扩散连接时间对接头抗剪强度的影响

图2-3-26 扩散连接温度对接头抗剪强度的影响

图2-3-27 Ti₃ Al扩散连接时间与温度的关系

图2-3-28 Ti₃ Al扩散连接时间与压力的关系

3.TiAl金属间化合物的扩散连接

TiAl扩散连接能够得到与母材组织和性能基本相同的接头，当对Ti-52%Al（摩尔分数）铸造合金直接进行扩散连接时，发现连接界面处产生细小晶粒的γ单相组织和（γ+α₂）双相组织。采用25μm厚的金属钒（V）中间层进行扩散连接TiAl，发现在V/γ的界面处形成Al₃V相，如果V层很薄，能够全部溶入TiAl中，从而使Al₃V仅仅成为一个中间过渡相而最后不再存在。

图2-3-29 不同温度下TiAl接头和母材的抗拉强度（连接条件：T=1473K，t=3.84ks，p=15MPa，真空度2.6×10^-2Pa）

连接温度对接头强度有很大影响，当温度较低或连接时间较短时，界面处存在显微孔洞和TiO₂及Al₂TiO₅薄膜。而当扩散连接在1473K及3.84ks条件下进行时，以上微孔和氧化膜均不存在，接头的室温性能最好，抗拉强度达225MPa，如图2-3-29所示，断裂发生在母材上。但当连接温度为1073K和1273K时，由于界面上元素扩散及迁移不充分，接头的抗拉强度比母材低约40MPa。

在1198～1373K温度范围内，对（γ+α₂）层片状组织的TiAl锻造合金（含Al摩尔分数47%，还含少量的Cr、Mn、Nb、Si和B）进行了扩散连接。连接温度较低时，可以观察到原始的连接界面，接头的抗拉强度和伸长率较低，断裂发生在界面处。随着连接温度的升高，原始的连接界面处发生动态再结晶，形成等轴的γ晶粒，界面线消失。母材的原始晶粒尺寸对扩散连接影响很大，晶粒粗大时，界面处形成与母材组织不同的再结晶细晶组织，且存在显微孔洞，抗拉强度和伸长率都低；当粗晶的TiAl合金与细晶双态组织的TiAl合金进行连接时，形成镶嵌式的界面结构，从而使接头的抗拉强度和伸长率提高；当细晶的TiAl合金进行连接时，可得到与母材基本一致的显微组织，接头达到530MPa的抗拉强度和较高的伸长率，断裂发生在母材上。真空度对接头高温抗拉强度有一定的影响，因此在其他条件不变的前提下，TiAl金属间化合物应尽量采用较高的真空度进行扩散连接。此外，扩散连接接头经过真空热处理后，晶粒发生长大现象。

钛合金和钛铝金属间化合物的扩散连接优化方案

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