工艺参数对高温钛合金Ti65扩散连接性能的影响

杨 震,张晓巍,张 鑫,王 钰,李虹霖,赵天章,

(1.沈阳航空航天大学， 沈阳 110136；2.沈阳飞机工业(集团)有限公司， 沈阳 110034)

1 引言

钛合金由于比强度高，耐腐蚀性好，耐高温等优点，被广泛应用于航空航天，医疗和化工等领域。高温钛合金由于长期在高温环境下仍能保持较高的力学性能、蠕变抗力和抗氧化能力，常用来生产航空发动机燃烧室附近的压气机部件，在航空航天领域中占据重要地位[1-4]。

Ti65合金是在Ti60合金基础上研制的一种名义成分为Ti-5.9Al- 4.0Sn-3.5Zr-0.3Mo-0.4Si-0.3Nb-2.0Ta-1.0W-0.05C的10组元近α型高温钛合金，设计使用温度为600～650 ℃。Ti65合金密度为4.59 g/cm3，相变点为1 040±10 ℃[5]。相比于Ti60，Ti65合金新加入了W元素，提高了Ta含量，减少了Mo和Nb含量，有效改善了高温抗蠕变性能，同时仍保持较好的强度-塑性，蠕变-持久-热稳定性匹配。

扩散连接技术是指同种或异种金属、非金属材料，在高温、高压、真空或保护气体环境下，连接表面发生原子扩散的一种可靠连接技术[6-7]。相比于传统焊接方式，扩散连接技术有效避免了由于金属液熔化而导致的产品质量缺陷，成形零件具有无宏观变形，连接部位缺陷少，无残余应力等优点[8]。随着航空航天领域轻量化的发展，钛合金扩散连接技术得到了充分发展。以TC4合金为例，Lee等[9]研究了Ti-6Al- 4V在连接温度范围为850～950 ℃，压力为3.0 MPa，时间为60～180 min时的扩散连接工艺，并对TC4的高温氧化行为进行了研究。Tang等[10]通过对比850～950 ℃相变超塑性扩散连接与950 ℃恒温超塑性扩散连接接头组织和性能发现：相变可提高原子扩散速率，改善连抗剪强度更高，最高可达612 MPa。Gao等[11]研究了温度、时间对TC4空心结构扩散连接接头性能影响。Cai等[12]通过MARC对TC4合金三层板超塑成形和扩散结合过程进行模拟，与试验结果进行对比，成形制件界面厚度最大误差不超过12.5 %。目前，国内外对于Ti65板材扩散连接的研究较少，不明确最佳的扩散连接工艺参数，本文通过对Ti65合金板材在不同温度，压力下的扩散连接试验，研究了工艺参数对Ti65钛合金板材扩散连接焊合率和结合强度的影响，为Ti65合金在扩散连接工程应用中提供依据。

2 试验材料与方法

本试验采用的材料为Ti65合金板材，厚度为2 mm。原始Ti65钛合金板材延/沿RD方向的室温单向拉伸工程应力应变曲线如图1，屈服强度达到了1 173.1 MPa，抗拉强度为1 208.9 MPa，延伸率为5.3 %。为了通过剪切变形测试界面结合强度，特设计了如图2(a)所示的试片，长度100 mm，宽度40 mm，留有1 mm×20 mm缝隙(长度方向为RD方向，宽度方向为TD方向)。对线切割加工后的试片进行抛光、除油和酸洗处理，去除表面杂质等影响扩散连接效果的因素，如图2(b)所示。为了研究试验温度和压力对扩散连接过程的影响，利用真空热压炉进行扩散连接试验，将待连接的两块金属板置于两块石墨厚板间，金属板上下重叠放置，其中一块板以TD方向为轴旋转180°，使得2个板上的缝错开，形成中间2 mm宽的搭接区域，上下平台通过石墨板对板材施压，如图3所示。扩散试验条件为920 ℃/2 MPa、940 ℃/2 MPa、940 ℃/1 MPa、940 ℃/4 MPa和960 ℃/2 MPa，真空度为5×10-3Pa，保温时间为2 h，压力扩散连接试验后样品如图2(c)所示。

对扩散连接试验后的试样线切割取样，剪切试样尺寸为80 mm×10 mm，搭接区域面积为20 mm2，拉伸试样标距为24 mm×6 mm×2 mm，取样方式如图2(d)所示。采用蔡司显微镜观察金相组织，观察扩散后板材连接界面上的微观组织，以表征焊合效果；采用MTS电子万能材料试验机进行剪切拉伸性能测试。

图1 室温单向拉伸工程应力-应变曲线Fig.1 Tensile stress-strain curve at room temperature

图2 试样Fig.2 Schematic and dimensions of the specimens

图3 试件安装示意图Fig.3 Schematic of the specimen clamping

3 试验结果与讨论

3.1 扩散连接工艺参数对焊合率的影响

焊合率是判断扩散连接界面结合好坏的衡量标准之一，焊合率越高，界面结合情况越好，焊合率的计算公式[13]如下：

(1)

式中：L为焊合率;L0为焊接剖面焊缝长度；L1为未焊合区域焊缝长度。

当压力为1 MPa的时候，界面结合处孔洞呈现不连续线条状，焊缝区域的金相组织如图4(a)所示，未焊接区域较多，焊合率仅为69 %。图4(b)所示为940 ℃下压力为2 MPa保温2 h的界面结合形貌，结合区域已经转化为晶界，但仍存在少量未结合界面，孔洞高度减小，焊合率为82 %。相同温度和保温时间下，当压力增加至4 MPa时，焊合率提高至88 %，孔洞数量、尺寸和长宽比均减少，焊缝区域的金相组织如图4(c)所示，仍能观察到少许未焊合区。这说明压力是影响扩散连接的重要参数之一，随着压力的提高，焊合率增加，焊接效果提升，焊合率增加的速率减缓，但逐渐接近100%，如图4(d)所示。

图4 不同压力下焊缝区域的金相组织(a)、(b)和 (c)及焊合率曲线(d)Fig.4 Metallographic structures near bonding interface and bonding rate

图5(a)所示，当连接温度为920 ℃时，结合区域可以观察到明显且连续的大尺寸孔洞，只有少部分区域完全接触，焊合效果较差，焊合率仅为59 %。960 ℃扩散焊接的金相组织如图5(b)所示，可见未焊合区域基本消失，焊合率达99%。焊合率随温度的提高而增加，如图5(c)所示。

图5 不同温度下焊缝区域的金相组织(a)、 (b)及焊合率曲线(c)Fig.5 Metallographic structures near bonding interface and bonding rate

3.2 扩散连接工艺参数对RD方向力学性能的影响

扩散连接过程中，板材在高温环境中保温2 h左右，微观组织将发生改变，如晶粒长大、相变等，进而对力学性能产生影响。

图6 扩散连接样件的单向拉伸性能曲线Fig.6 Unidirectional tensile properties of diffusion bonded specimens

由图6(a)所示为940 ℃中不同压力参数下Ti65板材扩散连接后的RD方向力学性能。当压力为1 MPa、2 MPa和4 MPa时，抗拉强度分别为984 MPa、974 MPa和959 MPa。经过940 ℃保温2 h后，Ti65板材的室温抗拉强度有较大幅度的降低，相比扩散连接前的原始板材室温抗拉强度1 208.9 MPa降低了18.6 %、19.4 %和20.7 %。另外，随着压力的提高，降幅略有增加。

在压力为2 MPa时，材料经920 ℃、940 ℃和960 ℃保温2 h后RD方向室温抗拉强度分别为981 MPa、974 MPa和970 MPa，参见图6(b)。可见，随着扩散连接温度的提高，扩散连接后的Ti65板材RD方向的室温抗拉强度逐渐降低，相比于原始板材的室温抗拉强度1 208.9 MPa分别降低了18.9 %、19.4 %、19.8 %。

抗拉强度由原始材料的1 208.9 MPa，下降至970 MPa左右，主要原因为高温保温后，Ti65板材的组织变化，如图4(a)-(c)所示，α相晶粒尺寸明确增加，且随加热温度的提高，α相晶粒尺寸由920 ℃的8 μm增加到960 ℃的12 μm。

3.3 扩散连接工艺参数对剪切强度的影响

不同压力条件下，扩散连接件的焊缝室温剪切强度如图7(a)所示。940 ℃下，压力为1 MPa，剪切强度为226.8 MPa，当压力增加至2 MPa时，剪切强度大幅提高至335.3 MPa，压力进一步增加时，剪切强度几乎不发生改变，达到了饱和的状态。

当扩散连接压力为2 MPa时，随着扩散温度的提高， 室温剪切强度逐渐增加，如图7(b)所示。920 ℃扩散连接后，由于存在较多未结合区域，焊接质量较差，室温的剪切强度仅为157.5 MPa。960 ℃扩散连接后，室温剪切强度提升至349 MPa。

图7 扩散连接件剪切性能曲线Fig.7 Shear strength of diffusion bonded specimens

3.4 讨论

扩散连接过程中，温度会影响连接初期阶段表面突出区域的塑性变形、扩散系数、界面孔洞的消失过程。材料的塑性变形能力随温度升高变强，温度越高，材料扩散系数越大。另外，加热温度的升高还会造成母材软化或硬化以及加速晶粒的长大。压力对扩散连接的影响主要有：1)促使连接初期阶段突出区域的塑性变形；2)加速界面原子激活，促进孔洞的愈合；3)破坏表面氧化物，便于金属直接接触发生原子扩散；4)防止由于原子扩散速度不同导致连接界面一侧移入量小于输出量而形成的扩散孔洞的产生[14]。

扩散连接过程分为3个阶段[6]：1) 物理接触阶段；2) 扩散，界面推移阶段；3) 界面和孔洞消失阶段。由于待焊接试件粗糙度较低，表面凹凸不平，扩散连接开始阶段，焊接表面间并不能完全接触，表面之间形成孔洞[15]。焊接过程中施加压力，焊接面接触面积有限，接触区域承受压力大于Ti65合金的塑性变形抗力，接触区域发生塑性变形。随着连接过程进行，接触区域原子高度激活，相互扩散并交换电子，此时连接表面之间的连接方式主要为金属键。由于扩散作用，大部分孔洞消失，而且也会产生连接界面的移动。扩散继续，界面孔洞逐渐发生愈合消失，未结合区域减少，此时物质的主要传递形式为体积扩散，结合区域组织逐渐趋于均匀。孔洞弥合中物质传递的机制[16]如图8所示，其中，机制2为从表面源至颈部的表面扩散；机制3为从表面源至颈部的体积扩散；机制4为从表面源蒸发并在颈部沉积；机制5为从界面至颈部的晶界扩散；机制6为从界面至颈部的体积扩散；机制1和7分别为塑形变形和强化蠕变使孔洞弥合。

图8 物质传递机制示意图Fig.8 Schematic of mass transfer mechanism

扩散连接后Ti65室温单向拉伸性能下降的原因，一方面是由于高温处理后，显微组织内部初生α晶粒逐渐等轴粗化，材料抵抗塑形变形能力变差。另一方面原始板材在轧制过程中积累的大量位错，合金在高温热处理时发生回复再结晶，位错密度大大降低[17]。

室温下Ti65扩散连接焊缝的剪切强度决定于2个因素：焊合率和α相晶粒尺寸。随着扩散连接压力的增加，温度的升高，焊合率逐渐增加，晶粒尺寸增大，焊合率的增加实际上增加了焊缝的承载剪切的有效面积，提高了抗剪能力，但晶粒尺寸的增加降低了Ti65的本身强度。从结果看，焊合率的影响所占比例更多一些。

4 结论

1) Ti65板材扩散连接的焊合率随着扩散连接温度和压力增大而增加。当工艺参数为960 ℃，2 MPa保温2 h时，焊合率达到99 %。

2) 经高温保温后，Ti65板材的RD方向室温抗拉强度明显降低，主要因为α相晶粒尺寸增加和回复再结晶，且随着连接压力和温度的提高，室温抗拉强度逐渐下降。

3) 随着连接压力和温度的提高，Ti65扩散连接件的室温剪切强度逐渐增加，且增幅降低。当960 ℃，2 MPa压力保温2 h后的剪切强度达到366 MPa。