TC4钛合金蜂窝板钎焊接头组织性能分析

TC4钛合金蜂窝板钎焊接头组织性能分析 TC4钛合金蜂窝板钎焊接头组织性能分析

商 磊1， 王 刚2， 杨大春1， 李 垚1

(1. 哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所，哈尔滨 150001;2. 哈尔滨工业大学 现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨 150001)

摘 要：研究了TC4钛合金蜂窝板的钎焊工艺，试验采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料，真空度不低于2×10-3 Pa，钎焊温度为930 ℃，保温时间为30 min. 对焊后试件的钎焊界面组织进行超声无损检测，检测结果表明面板与蜂窝芯钎焊效果极好，未发现有脱焊、虚焊等现象. 采用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)法进行了试验分析. 结果表明, 母材和钎料发生相互扩散渗透反应，并出现有新的析出相. 该工艺下蜂窝板的界面平均拉脱强度为12.8 MPa，抗剪强度为9.01 MPa，钎焊接头属于脆性断裂.

关键词：TC4蜂窝板；钎焊；界面组织；无损检测；拉脱强度

0 序 言

金属蜂窝夹层结构有着质量轻、承载能力强、刚性大、耐疲劳性能好、热导率小、受力均匀等优点，是一种有着良好的隔热、承力性能的结构形式[1]. TC4钛合金不仅具有良好的室温、高温和低温力学性能，且在多种介质中具有优异的耐蚀性，同时可焊接、冷热成形，并可通过热处理强化. 因而,在宇航、船舰、兵器以及化工等工业部门均获得广泛的应用,而且钛合金以TC4应用最为广泛，用量约占现有钛合金产量的一半[2-4]. 基于TC4钛合金良好的综合性能，TC4钛合金蜂窝板还具有高比强度、高比刚度、耐蚀、耐温和耐热等优点. 目前与国内牌号TC4钛合金相对应的Ti-6Al-4V加工出的蜂窝板在国外应用广泛，如在猎户座返回舱、X-33高超音速飞行器的防热系统、巡航飞机发动机[5-9]. 而国内关于TC4钛合金蜂窝板的制备及相关性能研究较少，尤其是对TC4钛合金蜂窝板钎焊接头的组织性能分析的研究更少.

对于加工钛合金蜂窝板，钎焊具有独特的优势. 在钎焊过程中，钎焊合金在高温下熔化，然后通过毛细作用和重力作用，渗入到蜂窝壁的间隙以及蜂窝芯与面板之间的接头间隙中，并在接头处聚集，在蜂窝壁和面板上润湿、铺展，凝固后于面板和蜂窝芯一起构成蜂窝夹心结构.

钎焊TC4钛合金蜂窝夹层结构具有较好的工程应用前景，因此有必要对其组织性能进行分析研究. 试验采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料，对TC4钛合金蜂窝板进行真空钎焊连接. 分析了TC4钛合金蜂窝板的接头界面组织结构，确定了界面产物，并结合钎焊界面组织观察和元素分布测试结果，分析了钎焊工艺对TC4钛合金蜂窝夹层结构试件室温平面抗拉强度和界面特征的影响.

1 试验方法

试验材料选用TC4钛合金蜂窝板，其化学成分见表1. 由于非晶箔带相对于其它种类钎料更适用于钎焊蜂窝板,所以采用 Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔带作为钎料，其化学成分如表2所示. 首先要将面板打磨、抛光、去除氧化层，再进行酸洗以去除有机物. 由于蜂窝芯不能进行打磨去除氧化层，而氧化物对于焊接质量的影响是非常大的，钎料需要依靠毛细作用进入焊缝，如果存在氧化物，就会导致钎料不能完全填充焊缝，导致出现空洞,所以必须对蜂窝芯进行酸洗.试验所用的真空辐射加热设备为VAF-30真空钎焊炉，对TC4蜂窝芯体、钎料箔和上下TC4面板整体装配并进行真空钎焊，为了保证钎焊时蜂窝芯与面板的结合紧密，保证面板的表面质量，在钎焊过程中，要在面板上始终施加一个均匀的压应力，应力大小要根据蜂窝芯的尺寸以及材料性能和钎焊工艺等来决定，研究中根椐蜂窝夹心结构的尺寸与钎焊工艺确定所使用的压应力大约为20 kPa.

表1 TC4钛合金化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of TC4

AlVFeSiCNHOTi5.5～6.83.5～4.5≤0.30≤0.15≤0.10≤0.05≤0.015≤0.20余量

表2 钎料化学成分(质量分数，%)

Table 2 Chemical compositions of Ti-Zr-Ni-Cu filler

TiZrNiCu35351515

通过试验研究，当采用Ti-Zr-Ni-Cu作为试验用钎料时, 最佳工艺参数为真空钎焊炉真空度不低于2×10-3 Pa；钎焊温度930 ℃；保温时间30 min. 试验用TC4钛合金蜂窝板如图1所示，尺寸规格如表3所示.

图1 TC4钛合金蜂窝板

Fig.1 TC4 titanium alloy honeycomb sandwich panel

表3 TC4合金蜂窝板几何尺寸

Table 3 Global dimensions of TC4 honeycomb sandwich panel

芯格内切圆直径D/mm蜂窝芯厚度h/mm面板厚度δ1/mm蜂窝芯壁板厚度δ2/mm5.6100.30.1

2 试验结果与分析

2.1 TC4蜂窝板接头组织性能分析

采用最佳工艺下钎焊界面组织进行超声无损检测以及扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS). 所观察的部位为面板与蜂窝芯子的钎焊连接界面，界面的微观组织如图2所示. 可以看出蜂窝芯体与面板之间的钎焊界面包括钎料凝固区和扩散区，由高温作用下，在靠近界面的钎料熔化和凝固过程中第二相溶解，母材发生局部组织长大. 在钎焊过程中钎料元素与基体元素之间相互扩散形成扩散区，扩散区分别对灰白色组织、黑色组织和母材做EDS定点分析，位置如图2所标出的 1，2，3测试点. 所测得各元素含量如表4所示. 灰白色组织与钎料成分35Ti-35Zr-15Cu-15Ni相比，Ti，Zr，Cu，Ni元素含量变化不大，但有少量的Al和V元素出现；黑色组织与钎料成分相比含有Ti元素较多，Zr，Cu元素含量下降，Ni元素消失，但发现了少量的Al元素. 可见这种非晶钎料已不再是非晶态组织而且成分也不再均匀分布；母材中只有V元素含量下降. 这充分说明了在钎焊过程中，母材和钎料相互扩散渗透反应，并析出新的相，这些相属于共晶组织或者金属间化合物. 组织为钛合金网篮组织；钎料凝固区存在两种组织，以灰白色组织为基体，椭圆状、细条状和点状的黑色组织分布在其中，而且在蜂窝芯板与面板相连接的区域分布很密集，在远离母材的地方分布较为离散.

图2 蜂窝板焊接界面微观结构

Fig.2 Micrograph of honeycomb in cross-section

表4 钎焊区组织能谱分析(质量分数，%)

Table 4 EDS pattern of microstructure in brazing region

测试点ZrTiNiCuAlV131.6934.9413.3218.271.310.46224.0266.43—8.001.55—3—90.43—0.666.872.04

在钎焊区域做EDS线扫分析，扫描线同时穿过母材、钎料与析出相，描位置如图3a所示的黑线位置. 得到各元素沿焊缝含量分布结果如图3b所示. 从钎焊区到母材中心，Cu，Ni和Zr元素的含量逐渐减少，说明钎焊接头中的Cu，Ni和Zr这3种元素向母材中扩散，但是扩散得不够充分, Ti，Al，V元素的含量逐渐增多，证明母材中这3种元素向钎缝中溶解，但溶解的不够充分. 基体中的Ti元素含量较高，溶蚀后使焊缝中的Ti元素含量较原来增加，所以Ti，Al，V元素由母材向钎料扩散，Zr，Cu 和 Ni 元素由钎料向母材扩散. 各元素含量沿线的变化反映了母材和钎料相互扩散的状况.

图3 钎焊接头线扫描结果

Fig.3 Major element distributions of brazed joint

钛合金蜂窝板钎焊工艺要求较高，钎焊过程中相对于高温合金蜂窝板、不锈钢蜂窝等对钎焊设备内的真空度和洁净程度要求更高. 制造过程中蜂窝芯与面板未焊合、虚焊是钛合金蜂窝板最常出现、危害最严重的缺陷之一. 此缺陷将严重影响钛合金蜂窝的力学性能以及使用寿命.

采用UT340-001型水浸聚焦超声C扫描检测系统，对文中图1所示的TC4钛合金蜂窝板试件进行超声无损检测. 该设备可以检测出蜂窝和蒙皮未焊合、虚焊、脱焊的位置，若检测图像中蜂窝格子没有显示出来，则未显示出来的位置产生了以上缺陷. 超声检测结果如图4所示，所有蜂窝格子都显示出来，TC4钛合金蜂窝板的钎焊效果好，没有发现虚焊、脱焊等缺陷.

图4 TC4蜂窝板超声无损检测

Fig.4 Ultrasonic nondestructive testing of honeycomb sandwich panel

2.2 钎焊接头强度

采用WDW310试验机，根据国家标准GB/T1452-《夹层结构平拉强度试验方法》要求，拉伸试验的试样确定为直径20 mm的圆形试件，拉伸试验速度为0.5 mm/min. 图5为蜂窝拉伸试件应力—应变曲线. 蜂窝夹层结构试件室温平均拉脱强度可以达到12.8 MPa.

图5 蜂窝拉伸试件应力—应变曲线

Fig.5 Tensile stress versus strain curves of honeycomb sandwich

根据国家标准GB/T 1456-《层结构弯曲性能试验方法》要求，通过对蜂窝结构三点弯曲测试，若发生面芯脱粘可以测定蜂窝芯的剪切强度. 试样尺寸为跨距60 mm；宽度为25 mm，试样的厚度为10.6 mm，其它尺寸规格如表3所示；通过对发生面芯脱粘试件的试验数据可以得到蜂窝板钎焊的剪切强度为9.01 MPa. 发生断裂破坏的三点弯曲试件断口形貌如图6所示.

图6 蜂窝结构三点弯曲试样断口

Fig.6 Bending fractograph of honeycomb sandwich panel

在钎料堆积区域，断口平齐而光亮，没有韧窝，和母材区域有着明显的不同，可推测是沿晶断裂，是典型的脆性断裂. 在平整的断面上，有一些突出的相，推测是分散于钎焊区域的析出相，也就是脆性增加的原因；面板区域有着明显的韧窝出现，为典型的韧性断裂；黑线框内的断口不是平齐而光亮，台阶和小平面较多，不是沿晶开裂，是解理断口. 该部分为蜂窝芯壁板，由于钎焊过程中与钎料相互渗透，且相对充分，所以与面板性能差别较大，断口形式也不同.

3 结 论

(1) 采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料，真空钎焊炉真空度不低于2×10-3 Pa，钎焊温度930 ℃，保温时间30 min，成功对TC4钛合金蜂窝板进行真空钎焊连接.

(2) 通过EDS点分析和SEM分析可以发现，在钎焊过程中，母材和钎料相互扩散渗透反应，并析出新的相，这些相属于共晶组织或者金属间化合物.

(3) 该工艺下蜂窝板的界面平均抗拉强度为12.8 MPa，抗剪强度为9.01 MPa. 通过三点弯曲试件断口分析，母材区为韧性断裂，而在钎焊区为脆性断裂.

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收稿日期：-09-28

中图分类号：TG 454

文献标识码：A

文章编号：0253-360X()03-0125-04

作者简介：商 磊，男，1987年出生，博士研究生. 主要从事热防护结构的结构功能一体化设计方面的研究工作. 发表论文2篇. Email： shanglei420@

通讯作者：李 垚，男，教授，博士研究生导师. Email： liyao@

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