中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點實驗室 高興強 佀好學(xué) 岳喜山 靜永娟 李智淵

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有超輕質(zhì)、高比強度和比剛度、消音、隔熱等諸多優(yōu)點，國內(nèi)外現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，如飛機機身、舵翼面、發(fā)動機艙門等[1-2]。鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在較高溫度下能夠長時間使用，并具有良好的疲勞壽命和耐腐蝕性能，可以滿足現(xiàn)代飛機在某些特殊條件下的使用要求[3-4]。鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)一般用釬焊方法將上下面板與中間蜂窩芯連接起來，如圖1所示[5]。鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊常用的釬料有鈦基釬料、鋁基釬料和銀基釬料，因鈦基釬料具有更高的高溫性能和更好的耐腐蝕性而受到普遍關(guān)注[6]。TA18（Ti-3Al-2.5V）鈦合金是從TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金演變而來的近α型α+β型鈦合金，雖不及TC4鈦合金強度高，但由于其具有優(yōu)異的冷成形性能和焊接性能、良好的高溫性能和耐腐蝕性能，已在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[7]。TA18鈦合金冷成形性優(yōu)良，易用于制備蜂窩芯所用波紋帶，因而TC4/TA18蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用前景。

本文主要針對TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔帶釬料進行真空釬焊，研究釬焊溫度、保溫時間對TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊界面微觀組織的影響，分析釬焊界面的微觀組織特征，并對釬焊接頭進行拉脫性能測試。

1 試驗條件和方法

試驗件上下面板均為TC4鈦合金，蜂窩芯材料為TA18鈦合金，二者的化學(xué)成分如表1所示。試驗件蜂窩芯尺寸（D）為6.4mm，芯格壁厚（t）為0.08mm，蜂窩芯高度（h）為15mm，面板厚度為0.8mm。

表1 TC4鈦合金與TA18鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 典型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of typica l Honeycomb Sandwich construction

釬焊溫度明顯高于基體材料的相變溫度時，基體材料發(fā)生相變，長時間保溫使基體組織粗化，導(dǎo)致基體材料機械性能顯著下降；釬焊溫度過低時，釬料的流動性差，不能獲得滿意的釬焊接頭，因而釬焊溫度的選擇需綜合考慮釬料的熔點和基體材料的相變溫度。試驗選用釬料為Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni非晶箔帶釬料，其熔點為830℃～840℃，TA18鈦合金的相變溫度在920℃～930℃左右。本文選擇880℃、920℃和960℃3個釬焊溫度，60min、90min和120min 3個保溫時間進行研究，分析釬焊界面的微觀組織特征，并進行拉脫性能測試。

試驗在真空釬焊爐中進行，釬焊時真空度優(yōu)于4×10-3Pa。將試樣釬焊界面制作成金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察釬焊界面微觀組織特征，分析釬焊界面對試件力學(xué)性能的影響。參照ASTM C297將焊后的試樣用線切割分別切為50mm×50mm試驗件，進行拉脫性能測試，為保證試驗的準(zhǔn)確性，每組試驗取5個試驗件。

2 釬焊界面微觀組織分析

TC4/TA18蜂窩釬焊接頭微觀組織大致可分為3個區(qū)域，如圖2（a）所示，靠近TC4面板一側(cè)為擴散區(qū)，主要為由α+β相組成的針狀魏氏組織，在釬焊接頭中由于釬料中的Cu和Ni元素向面板母材擴散，Cu和Ni為β相穩(wěn)定元素，降低了α相向β相的相變溫度，從而形成圖2（a）中所示Ⅰ區(qū)所示的魏氏組織；緊鄰擴散區(qū)的區(qū)域為未擴散均勻區(qū)，該區(qū)主要為β鈦，其中Cu、Ni元素未擴散完全，可能存在Ti與Cu、Ni元素的金屬間化合物，如圖2（a）中所示黑色區(qū)域Ⅱ區(qū)；靠近TA18蜂窩芯的區(qū)域為釬料凝固區(qū)，釬料凝固區(qū)與釬料的原始非晶狀態(tài)大不相同，其中主要為黑色圓形的Ti的固溶體和灰色的TiNi2（Cu，Zr）金屬間化合物，如圖2（a）中所示Ⅲ區(qū)[5]。

圖2 不同釬焊溫度下釬焊接頭的微觀組織Fig.2 Microstructure of joint brazed at different temperatures

2.1 釬焊溫度對接頭微觀組織的影響

釬焊溫度是影響釬焊接頭質(zhì)量的重要因素，分別選取釬焊溫度為880℃、920℃、960℃，釬焊保溫時間為60min時，釬料添加量為80μm，接頭的微觀組織如圖2所示。圖2（a）所示為880℃/60min時釬焊接頭的微觀組織，由于釬焊溫度較低，原子擴散能力較差，針狀的魏氏組織區(qū)域?qū)挾戎挥屑s50μm，未擴散均勻區(qū)中形成的金屬間化合物較多，該金屬間化合物為脆性相，該區(qū)域為釬焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)，寬度大約有80μm；當(dāng)920℃/60min時，釬焊接頭微觀組織如圖2（b）所示，從中可以明確看出在母材靠近焊縫附近有一層長大的等軸狀晶粒，此時擴散能力較880℃/60min時有所提高，擴散區(qū)增大，約為65μm，未擴散均勻區(qū)中脆性金屬間化合物較少，該區(qū)域約為50μm，釬料凝固區(qū)變化不大，蜂窩芯的微觀組織如圖3（a）所示；960℃/60min時，原子擴散能力強，擴散區(qū)約有80μm，未擴散均勻區(qū)僅有30μm，如圖2（c）所示，而此時釬焊溫度遠高于蜂窩芯基體材料的相變點，釬焊過程中基體發(fā)生相變，晶粒長大粗化，如圖3（b）所示，嚴(yán)重影響釬焊接頭機械性能，此時TA18鈦合金蜂窩芯體成為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2 保溫時間對接頭微觀組織的影響

圖3 不同釬焊溫度下蜂窩芯的微觀組織Fig.3 Microstructure of honeycomb core brazed at different temperatures

圖4 不同保溫時間下釬焊接頭微觀組織Fig.4 Microstructure of joint brazed for different holding time

保溫時間也是釬焊的一個重要參數(shù)，延長保溫時間，有利于元素的擴散。選取釬焊保溫時間分別為60min、90min、120min，釬焊溫度為 920℃，釬料添加量為80μm時，920℃/60min接頭的微觀組織如圖2（b）所示。920℃/90min、920℃/120min接頭的微觀組織如圖4所示。從圖4（a）中可看出，920℃/90min時，釬料擴散更加充分，未擴散均勻區(qū)幾乎完全消失，接頭主要為α+β相組成的魏氏組織，其寬度大約為120μm，此釬焊界面為較理想釬焊界面。當(dāng)保溫時間延長到120min時，釬焊接頭也主要為α+β相組成的魏氏組織，但由于保溫時間過長，針狀的魏氏組織及蜂窩芯組織有所長大，如圖4（b）所示。

3 釬焊接頭強度研究

3.1 釬焊溫度對接頭強度的影響

釬焊溫度為880℃、920℃、960℃，釬焊保溫時間為60min，釬料添加量為80μm時，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊接頭的室溫拉脫強度如表2所示。由表中可以看出，接頭的室溫拉脫強度隨釬焊溫度的升高先增大后減小。釬焊溫度為880℃和920℃時，釬焊接頭的室溫拉脫強度，平均值分別為10.43MPa和16.20MPa，接頭的破壞方式均為蜂窩芯與面板開焊，蜂窩芯與面板的連接界面為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)，這可能是由于接頭釬焊界面形成較多脆性金屬間化合物；釬焊溫度升高到960℃時，接頭的室溫拉脫強度略有降低，平均值為14.69MPa，接頭破壞方式為蜂窩芯壞，強度下降是由于釬焊溫度過高，蜂窩芯基體發(fā)生相變，晶粒長大粗化，而使蜂窩芯成為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 釬焊保溫時間對接頭強度的影響

選取釬焊保溫時間分別為60min、90min、120min，釬焊溫度為920℃，釬料添加量為80μm時，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊接頭的室溫拉脫強度如表3所示。釬焊保溫時間為60min時，由于釬焊界面存在脆性金屬間化合物而使接頭強度較低；當(dāng)保溫時間延長至90min時，釬料中元素擴散充分，焊縫中主要為針狀的α+β相組成的魏氏組織，此時蜂窩芯為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)，接頭強度有大幅提高，平均值約為19.82MPa；保溫時間增加至120min時，由于釬焊界面組織長大，接頭強度有一定程度的降低。由此可見，釬焊溫度為920℃時，釬焊保溫時間為90min為最優(yōu)工藝，此時接頭的破壞形式為蜂窩芯壞，如圖5所示。

表2 不同釬焊溫度下接頭的室溫拉脫強度MPa

表3 不同釬焊保溫時間下接頭的室溫拉脫強度MPa

圖5 采用920℃/90min參數(shù)時接頭室溫拉脫破壞形式Fig.5 Mode of tensile failure of joint brazed at 920℃ /90min at room temperature

4 結(jié)論

本文通過分析TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)接頭微觀組織，研究釬焊溫度、釬焊保溫時間對接頭的影響，優(yōu)化出適用于該規(guī)格TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的釬焊工藝，并通過測試接頭的拉脫強度，驗證了優(yōu)化的釬焊工藝。

（1）釬焊溫度為880℃時，保溫時間為60min時，釬料中的Cu、Ni元素擴散不充分，易在釬焊界面形成脆性金屬間化合物；釬焊溫度升高至960℃，保溫時間為60min時，TA18鈦合金蜂窩芯發(fā)生相變，晶粒長大粗化；保溫時間增加至120min，釬焊溫度920℃時，焊縫晶粒粗化。脆性金屬間化合物生成及晶粒粗化均對接頭產(chǎn)生不利的影響。

（2）在920℃，保溫90min，添加釬料80μm時，釬料中的Cu、Ni元素擴散較充分，接頭為α+β相組成的魏氏組織，TA18鈦合金蜂窩芯與焊縫魏氏組織均不發(fā)生粗化。920℃、保溫90min、添加釬料80μm為TC4/TA18鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的最優(yōu)釬焊工藝，在該工藝參數(shù)下接頭的室溫拉脫強度平均值最高，可達19.82MPa，破壞形式為蜂窩芯壞。

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