劉繼雄1,，王文君1，黃 拓1，王 新1，王小翔1，王鼎春1，高 頎

(1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，寶雞 721014；2.寶鈦集團(tuán)有限公司，寶雞 721014)

0 引 言

SP-700鈦合金是一種新型富β的α+β兩相鈦合金，名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe。該合金于1989年由日本NKK公司開發(fā)，具有強(qiáng)度高、塑性好、疲勞性能和冷熱加工性能優(yōu)異以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、體育等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。經(jīng)軋制加工后，SP-700鈦合金組織細(xì)小均勻，表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合性能，尤其是超塑性能，伸長率可達(dá)2 000%。SP-700鈦合金的超塑成形溫度比TC4鈦合金的低100 ℃以上，可取代其用于制造航空航天構(gòu)件。

超塑成形-擴(kuò)散連接(SPF/DB)技術(shù)是在材料超塑成形的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)散連接來制備高精度大型零件，實(shí)現(xiàn)近無余量加工的方法，可極大地縮短制造周期，降低制造成本，在鈦合金飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)件制造中取得較大進(jìn)展[3-5]。然而目前，SP-700鈦合金結(jié)構(gòu)件連接方面的研究主要集中在激光焊[6-8]以及與TC4鈦合金異種金屬擴(kuò)散焊[9]等方面，鮮有關(guān)于SP-700鈦合金軋板擴(kuò)散連接的研究。為此，作者利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)SP-700鈦合金熱軋板材進(jìn)行擴(kuò)散連接試驗(yàn)，研究了擴(kuò)散連接溫度和時(shí)間對(duì)合金連接界面形貌及結(jié)合強(qiáng)度的影響，以期為鈦合金熱軋板擴(kuò)散連接的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為厚度12 mm的SP-700鈦合金熱軋板材，由寶雞鈦業(yè)股份有限公司提供，化學(xué)成分如表1所示。

采用線切割機(jī)截取尺寸為15 mm×12 mm×12 mm(長×寬×高)的試樣，將待連接面(寬×高)磨平、拋光，然后用酒精清洗干凈。利用Gleeble3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)散連接試驗(yàn)，壓力為3 MPa，真空度為10-2Pa，擴(kuò)散連接溫度為720，750，780，810，840 ℃，時(shí)間為5，15，30，45 min。

表1 SP-700鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 SP-700鈦合金在750 ℃擴(kuò)散連接不同時(shí)間后的界面顯微組織Fig.1 Interface microstructures of SP-700 titanium alloy after diffusion bonding at 750 ℃for different times

截取連接界面試樣，經(jīng)機(jī)械打磨、拋光后進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑由體積比為5…10…85的氫氟酸、硝酸和水配制而成。利用ZEISS AX10型光學(xué)顯微鏡和ZEISS ULTRA 55型掃描電鏡(SEM)觀察界面結(jié)合形貌和顯微組織。將擴(kuò)散連接后的試樣制備成尺寸為12 mm×1 mm×30 mm的拉伸試樣(非標(biāo)準(zhǔn)試樣)，采用CMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以測試結(jié)合強(qiáng)度，拉伸速度為0.005 mm·min-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散連接時(shí)間對(duì)界面結(jié)合形貌的影響

由圖1可以看出，在750 ℃擴(kuò)散連接時(shí)，SP-700鈦合金連接界面上存在未結(jié)合區(qū)域，隨連接時(shí)間延長，界面未結(jié)合區(qū)域減少；當(dāng)連接時(shí)間為5，15 min時(shí)，未結(jié)合區(qū)域長度大于10 μm；當(dāng)連接時(shí)間為30 min時(shí)，界面未結(jié)合區(qū)域尺寸在1 μm左右；當(dāng)連接時(shí)間達(dá)到45 min時(shí)，界面未結(jié)合區(qū)域幾乎消失。

由圖2可以看出，在780 ℃擴(kuò)散連接時(shí)，隨連接時(shí)間延長，SP-700鈦合金界面未結(jié)合區(qū)域減少并消失，且在連接30 min時(shí)，界面就基本實(shí)現(xiàn)了完全結(jié)合，結(jié)合圖1分析可知，升高擴(kuò)散連接溫度可以明顯縮短連接時(shí)間。但連接時(shí)間為45 min時(shí)，合金結(jié)合界面上可觀察到一處明顯的未結(jié)合區(qū)域，這是由于該處氧化物未處理干凈所致，同時(shí)界面附近還形成了少量的等軸α相。

2.2 擴(kuò)散連接溫度對(duì)界面結(jié)合形貌的影響

由圖3可知：在720 ℃下擴(kuò)散連接30 min時(shí)，SP-700鈦合金結(jié)合界面處存在較多未結(jié)合區(qū)域，長度最大在10 μm左右；隨擴(kuò)散連接溫度升高，界面未結(jié)合區(qū)域逐漸減少，當(dāng)溫度高于780 ℃時(shí)，界面結(jié)合率達(dá)到100%；擴(kuò)散連接溫度為840 ℃時(shí)，合金結(jié)合界面上可觀察到等軸α相，其相對(duì)直徑小于5 μm，說明界面處發(fā)生了β相向α相的轉(zhuǎn)變，冶金結(jié)合良好。

圖2 SP-700鈦合金在780 ℃擴(kuò)散連接不同時(shí)間后的界面顯微組織Fig.2 Interface microstructures of SP-700 titanium alloy after diffusion bonding at 780 ℃ for different times

圖3 SP-700鈦合金在不同溫度下擴(kuò)散連接30 min后的界面顯微組織Fig.3 Interface microstructures of SP-700 titanium alloy after diffusion bonding at different temperatures for 30 min

2.3 界面結(jié)合強(qiáng)度

由圖4可以看出：擴(kuò)散連接時(shí)間為30 min時(shí)，隨擴(kuò)散連接溫度的升高，合金界面結(jié)合強(qiáng)度不斷增加；擴(kuò)散連接溫度從720 ℃增至750 ℃和從780 ℃增至810 ℃時(shí),試樣結(jié)合強(qiáng)度增幅較小。

圖4 在不同溫度擴(kuò)散連接30 min后SP-700鈦合金的界面結(jié)合強(qiáng)度Fig.4 Interface bonding strength of SP-700 titanium alloy afterdiffusion bonding at different temperatures for 30 min

由圖5可以看出：擴(kuò)散連接溫度為750，780 ℃時(shí)，SP-700鈦合金的界面結(jié)合強(qiáng)度隨擴(kuò)散連接時(shí)間的延長而增加；相同擴(kuò)散連接時(shí)間下，780 ℃下試樣的結(jié)合強(qiáng)度高于750 ℃下的，且隨擴(kuò)散連接時(shí)間的延長，兩者之間差值逐漸增大，從5 min時(shí)的68 MPa增至45 min時(shí)的150 MPa。

圖5 不同擴(kuò)散連接溫度下SP-700鈦合金界面結(jié)合強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Interface bonding strength vs time curves of SP-700 titaniumalloy after diffusion bonding at different temperatures

2.4 討 論

對(duì)比溫度和時(shí)間對(duì)SP-700鈦合金擴(kuò)散連接結(jié)合界面形貌和結(jié)合強(qiáng)度的影響可以看出，高溫和長時(shí)間擴(kuò)散連接可以獲得較好的連接效果和相對(duì)較高的結(jié)合強(qiáng)度，兩者具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，界面結(jié)合區(qū)域的增加是界面結(jié)合強(qiáng)度提高的主要原因，且溫度比時(shí)間的影響更為顯著。

試驗(yàn)采用的壓力和真空度參數(shù)較為合理，在實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合的同時(shí)，避免了界面氧化物的形成。在鈦合金擴(kuò)散連接過程中，壓力、溫度和時(shí)間的共同作用促進(jìn)了界面塑性變形和元素?cái)U(kuò)散。與其他合金固相擴(kuò)散連接一樣，界面上存在空洞愈合以及界面遷移過程[10]。在一定范圍內(nèi)，隨擴(kuò)散連接溫度的升高和時(shí)間的延長，空洞愈合速度加快，界面結(jié)合率增加，結(jié)合強(qiáng)度提高。

SP-700鈦合金中含有較多的β穩(wěn)定元素，相變點(diǎn)較低，α+β相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟臏囟葹?00 ℃，同時(shí)，合金中的鐵元素為易擴(kuò)散元素，有利于其在相變點(diǎn)以下獲得較好的結(jié)合效果。SP-700鈦合金熱軋板組織為β轉(zhuǎn)變組織變形后形成的帶狀組織，試驗(yàn)擴(kuò)散連接溫度下，部分組織會(huì)發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶形成等軸α相，但仍以β轉(zhuǎn)變組織為主。β轉(zhuǎn)變組織由間距和厚度較小的片層組織組成，這種細(xì)片層組織可加快元素?cái)U(kuò)散，降低擴(kuò)散溫度，從而提高界面結(jié)合率。在相同的加載壓力、更高的擴(kuò)散溫度下，材料強(qiáng)度下降，界面元素更容易協(xié)同擴(kuò)散。因此，在840 ℃、30 min擴(kuò)散連接工藝下，SP-700鈦合金獲得了較高的界面結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1) 隨擴(kuò)散連接溫度的升高和時(shí)間的延長，SP-700鈦合金界面未結(jié)合區(qū)域逐漸減少直至消失，界面結(jié)合強(qiáng)度增加；溫度越高，實(shí)現(xiàn)完全結(jié)合所需時(shí)間越短，在溫度高于750 ℃下擴(kuò)散連接30 min時(shí)，界面基本實(shí)現(xiàn)了完全結(jié)合。

(2) 在840 ℃、30 min擴(kuò)散連接工藝下，SP-700鈦合金結(jié)合界面上可觀察到大量由于β相轉(zhuǎn)變形成的等軸α相組織，冶金結(jié)合良好，界面結(jié)合強(qiáng)度最高，達(dá)400 MPa。