钛合金与铝合金异种金属钎焊及熔钎焊研究进展

刘德运，沈元勋，李秀朋，李云月，赵明远

(郑州机械研究所有限公司，新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001)

0 前言

Ti/Al 异种金属连接的部件广泛应用于航空航天、汽车等行业，通过异种材料的连接结合每种材料的各自优势来获得优越的综合使用性能[1]。由于Ti/Al 的物理性能、化学性能和冶金性能存在显著差异，因此要获得具有理想力学性能的Ti/Al 异种金属接头仍具挑战[2]。目前，应用于Ti/Al 等异种金属焊接的技术有钎焊、熔钎焊、熔焊、扩散焊、混合摩擦焊、爆炸焊等[3]。钎焊是指升温使钎料熔化而母材不熔化，熔化的钎料润湿母材，进而与母材冶金结合，实现接头的连接。由于母材不熔化，与熔化焊相比，焊接应力更小，同时通过改善钎料成分比例和焊接温度等参数，可降低T/Al 金属间化合物的生成，从而达到钛合金和铝合金的更有效连接[4]。Ti/Al 熔钎焊技术同时具有熔焊与钎焊两种连接方法的优势，熔钎焊技术可以有效的抑制Ti/Al 金属间化合物的生成，从而使获得的钛合金/铝合金异种金属焊接接头性能更为优异[5]。

文中重点从钎焊与熔钎焊两个方面综述国内外关于钛合金/铝合金异种接头连接方法的研究报道，并指出目前技术的不足之处和未来研究的发展趋势，期待为钛合金/铝合金异种金属接头提供有意义的技术基础与参考数据。

1 焊接性分析

Ti/Al 异种金属的焊接特性不同，主要在于其物理和化学性质方面的差异。钛合金和铝合金的熔点、电导率和线膨胀系数方面有着很大的区别[6-7]。钛合金和铝合金之间的熔点差距大约在1000 ℃，在焊接过程中，铝合金率先达到熔点熔化，而钛合金还处于固态，液态铝合金密度较小会浮于焊缝表面，因此导致焊接成形不良[8]。并且两者线膨胀系数差距较大，导热能力不同，在焊缝成形或冷却过程中也易形成焊接裂纹。另外，Ti/Al 异种金属接头的焊缝也极易产生TiAl，TiAl3等脆性金属间化合物，影响接头力学性能[9]。此外，由于铝合金和钛合金的化学活性均较高，易形成氧化层，从而影响润湿性。钛在高温下，极易与氧、氮和氢进行吸气反应[10]。为避免吸气反应，并避免钛合金/铝合金接头焊缝氧化，必须处于真空环境下或者惰性气体保护氛围下进行焊接。选择合适的焊接方法与焊接工艺减小界面内应力与界面脆性相的产生，以获得性能更为优异的接头。而目前，国内外铝合金/钛合金异种金属所采用的焊接方法，大致分为3 大类：压力焊、熔焊和钎焊，而压力焊又包含爆破焊、摩擦焊和扩散焊。钛合金和铝合金之间的固溶性都较小，研究者们对熔焊的研究也相对较少，而一般使用的焊接方法是钎焊和熔钎焊。该文主要对钛合金/铝合金异种金属材料的钎焊及熔钎焊技术发展做出综述，同时着重探讨了焊接方法与工艺对焊接效果的影响。

2 钎焊

钎焊选择熔点比待焊金属低的材料做钎料，钎焊时，将钎料置于待焊金属之间，并加温至未达到待焊金属熔点而使钎料熔融的温度，钎料熔化后对待焊金属表层加以铺展润湿并相互扩散，最终完成待焊母材的加工焊接。钎焊的优点是它更加适于焊接异种材质金属，特别适合化学和物理性能差别较大的金属。通常条件下，选择合适的焊接方法与焊接参数可以避免Ti/Al 接头熔蚀、高温下氧化、产生气孔和裂纹的缺陷，但是焊缝产生脆性金属化合物却无法避免，目前，避免钛合金与铝合金焊接接头产生脆性金属间化合物仍是主要研究方向。文中按钎焊方法划分，综述钛合金与铝合金异种金属钎焊研究现状。

2.1 炉中真空钎焊

国外对Ti/Al 异种金属真空钎焊研究较早，Takemoto 等学者[11]很早便开始对钛/铝异种金属的钎焊进行研究，在高真空条件下，使用Al-30Ag-10Cu，Al-10Cu-8Sn 和Al-10Si-1Mg 钎料对纯钛/纯铝异种金属进行钎焊，钎焊温度为600～620 ℃。使用Al-30Ag-10Cu，Al-10Cu-8Sn 钎料钎焊的接头，在接近钛一侧发现脆性金属间化合物TiAl3，并分别产生了Ag2Al 和CuAl2相，进行拉伸试验，接头断裂于金属间化合物层，抗拉强度仅有38 MPa，使用Al-10Si-1Mg 钎料钎焊的Ti/Al 异种金属接头，生成的金属间化合物为Ti7Al5Si12，抗拉强度可达到70 MPa，接头断裂在钎料部位。分析认为：当Si 含量较少时，元素Si 可以固溶于TiAl3相中，抑制TiAl3组织生长，TiAl3层厚度变小；当Si 含量较多且超过TiAl3固溶度时，产生新相Ti7Al5Si12，接头抗拉强度也因组织不同而产生差异。

为改善Ti/Al 钎焊接头性能，研发适用于Ti/Al钎焊接头的钎料。康慧等学者[12]根据国内外研究结果和有关资料，在Al-11.5Si 近共晶合金中加入不同成分的元素Sn 和Ga 合成9 种不同的钎料，并在真空条件下使用各新钎料对Ti/Al 进行钎焊。分别对9种钎料钎焊出的异种金属接头进行抗剪强度测试和润湿性能测试；在9 种钎料中，具备较好铺展性和抗剪强度的钎料为添加10%Sn，0.2%Ga 的Al-11.5Si 铝基钎料，使Ti/Al 异种金属接头获得了较好的力学性能。国内外其他研究者也试图通过在钎料中加入其他微量元素，以提高钎焊接头性能。Chang 等学者[13]使用Al-8.4Si-20Cu-10Ge 低熔点钎料，在钎料中加入稀土元素（La+Pr，共0.1%浓度），在530 ℃下完成Ti-6Al-4V 钛合金和6061 铝合金炉中真空钎焊。相比于没加入稀土金属的钎料，Ti/Al 接头抗拉强度由20 MPa增加到了51 MPa。稀土金属的掺入使钎料的固相线与液相线温度降低，界面化学反应能减少，也提高了液态钎料对待焊金属的润湿。在钎料/钛合金界面处，形成了宽度约为3～6 μm 的三元金属间化合物Al5Si12Ti7层，如图1 所示，进而提高了Ti/Al 接头的抗拉强度。

图1 不同钎焊参数下6061/Ti-6Al-4V 接头显微组织[13]

2.2 感应钎焊

感应钎焊通过零件自身电阻流经感应电流产热。由于自身产热升温速率快，可以避免母材的晶粒长大和再结晶的产生，并且可根据工件形状设计线圈，更为灵活，也能够完成对工件的局部加热升温。徐永强[14]对Ti/Al 异种金属感应钎焊工艺开展了深入研究，在试验中由于铝基钎料对钛板表面的润湿较差，因此提出了采用在钛板表层预镀铝层的方法，经过对比分析有无镀层条件下的钛合金/铝合金异种金属钎焊接头，得出在无镀层条件下，钎焊接头界面反应层呈现层状、针状、杆状、锯齿形等多状结构和多相构造，在镀层作用条件下界面反应层出现均匀的层状和细小针状结构。层状Ti(Al,Si)3、针状Ti7Al5Si12双相组织可以有效阻止金属裂纹扩散，钎焊接头断裂于钎缝内。钛板表面预镀铝层可以提高金属钎料对钛板表面的润湿能力，并抑制界面反应层的生长。

为了提高钎焊接头性能，并提高钎料对待焊金属的润湿性，张晔[15]通过国内外研究分析自制了2 种中低温钎焊钎料分别为ZnAlCuAg 与ZnAlCuSn，并进行了相关组织性能试验分析，在外加超声波条件下，对2 种钎料进行润湿性能测试，在施加超声波1 s 的情况下，2 种钎料对母材都有更好的润湿，且ZnAlCuSn钎料对母材的润湿性能优于ZnAlCuAg 钎料。在大气条件下通过高频感应在超声波辅助作用下实现Ti-6Al-4V 钛合金与3A21 铝合金的焊接，拉伸试验结果表明：当使用Al-1.5Si 作为预镀层进行拉伸时，断裂发生在铝合金母材，观察断口发现大量韧窝，为韧性断裂，有着最高的抗拉强度，而使用其他几种预镀层时断裂均发生在界面处。加入Sn 元素虽可以提高钎料对母材的润湿性能，但钎焊过程中Sn 易沉积于底层，且自身强度不高，断裂易发生在富Sn 相，造成接头抗剪强度不高。

2.3 超声波钎焊

钛合金与铝合金异种金属还可通过超声预涂敷进行钎焊，首先将铝层超声预涂敷在钛板上，然后对铝合金与预涂敷铝层钛合金进行超声钎焊，也可实现钛合金与铝合金异种金属的连接。马志鹏等学者[16-17]在非真空条件下，通过直接超声钎焊法与钛合金预涂敷铝层超声钎焊法完成了TC4 钛合金与2A12 铝合金的连接。对异种金属钎焊接头进行扫描电镜观察和能谱分析，结果发现：在超声预涂覆钎焊工艺下，TC4 钛合金/2A12 铝合金异种金属钎焊接头最高抗剪强度可达141 MPa。对钎焊接头断口进行分析发现：断裂发生于Zn-Al 钎料中，并且在钎焊接头TC4 侧界面有TiAl3和TiAlSi 金属间化合物。

Ma 等学者[18]研究了用锌基钎料(不含Si 和含Si)超声辅助钎焊Al-4Cu-1Mg 铝合金和TC4 钛合金的工艺。为了控制TC4 钛合金样品与钎料之间金属间化合物的形成，在钎焊前对TC4 钛合金样品进行了热浸镀铝和超声浸镀。TC4 钛合金基体与镀铝涂层之间的界面处形成了TiAl3相，对于不含Si 的Zn基钎料，超声作用下钎焊接头的TC4 钛合金界面没有变化，仅由TiAl3相组成。对于含Si 的Zn 基钎料，在超声波作用下，钎焊接头界面区TiAl3相消失，形成Ti7Al5Si12相。焊缝中脆性金属化合物由TiAl3转变为Ti7Al5Si12，抗剪强度最高达到138 MPa，分析原因可能与脆性金属化合物的组织有关，TiAl3为块状组织，Ti7Al5Si12为片状组织。虽然国内外对超声波钎焊进行了大量的研究，但由于设备昂贵，目前仅应用于软钎焊，仍存在局限性[19]。

3 熔钎焊

熔钎焊适用于熔点相差较大的异种金属，钛合金与铝合金在熔点上相差1000 ℃左右，熔点差异较大，可通过控制焊接热输入使铝侧局部金属熔化而钛则保持固态进而形成有效结合[20]。目前，关于钛与铝熔钎焊技术的研究大多使用电子束焊接、激光焊、电弧焊等工艺。

3.1 电子束熔钎焊

电子束焊接的基本原理是真空室内原子被加速进行定向高速移动对待焊工件进行冲击，这一过程中把原子的动能转换为热量，通过转换的热量使待焊工件熔融后冷却凝固，最后形成焊缝[21]。利用高真空电子束对Ti/Al 进行熔钎焊，高能量密度的电子束热源可以很好地控制熔池的尺寸、形态及电子束斑的位置，可有效降低界面温度、减少反应时间，从而有利于Ti/Al 等异种金属的焊接[22]。

国内外对Ti/Al 的电子束熔钎焊研究集中于工艺参数及接头母材重熔改性等方面。王亚荣等学者[23-24]利用真空电子束及采用对接的形式对铝合金板和钛合金板进行熔钎焊，为充分利用低熔点金属铝合金自身的熔化作为润湿填充材料钎接高熔点的钛合金，在焊接时铝合金板需略高于钛合金板。焊接中适当降低电子束加速电压，采用低加速电压60 kV，以降低电子动能，减小束流穿透能力，同时选择合适的束流强度，使得钎接焊缝表面光滑，避免击穿界面，当电子束流为13.5 mA 时，实现焊接接头的平滑过渡，焊缝成形良好，5A06/TC4 钎焊接头的界面结构及钎接界面的元素分布如图2 所示。钛合金结合部位存在一个明显的过渡层，铝合金侧生成大量的块状反应物，弥散分布于界面处，增强接头性能，接头抗拉强度可以达到230 MPa。

图2 5A06/TC4 接头界面结构[23]

钛合金与铝合金异种金属熔钎焊时焊缝易出现熔合不良、高残余应力等问题，且会产生大量硬脆Ti/Al 金属间化合物，诱导裂纹产生。电子束熔钎焊时，向铝侧偏束扫描可减少Ti/Al 金属间化合物生成，提高接头抗拉强度。为得到电子束熔钎焊Ti/Al 异种金属接头的最佳工艺参数，王毅[25]对5052 铝合金和TA2 钛合金异种金属接头进行电子束熔钎焊工艺试验，得到最好工艺参数：铝侧偏置距离0.9 mm、焊接束流21 mA、焊接速度10 mm/s，以及背部小束流强化处理。并且为了改善钎焊接头性能，对接头进行重熔改性，并获得重熔改性最好工艺参数：钛侧偏置距离2.5 mm、重熔扫描束流25 mA、重熔扫描速度10 mm/s。TA2 钛合金与5052 铝合金熔钎焊连接得到最优接头抗拉强度达126 MPa，断裂形式为脆性断裂，TA2 钛合金与5052 铝合金重熔改性连接得到优化接头抗拉强度达165 MPa，接头断面局部位置存在韧窝。

3.2 激光熔钎焊

激光熔钎焊由于其高灵活性、可调节能量输出和更快的加热/冷却速率，已被证明是一种适用于焊接钛合金与铝合金异种金属的工艺方法[26]。为降低金属间脆性化合物的生成，李鹏等学者[27-28]对比研究了单、双焦点2 种不同的激光作用模式对TC4/6061激光熔钎焊缝成形、界面金属间脆性化合物层及界面温度场的影响。相比单焦点激光，并行双焦点激光有效改善了填充钎料在TC4 侧的润湿性，扩展了焊接工艺窗口，降低了界面脆性金属间化合物层的厚度，并提高了脆性金属间化合物层分布的均质性。单焦点激光时，界面最高温度为915 ℃，温度梯度为103 ℃；同等功率下，采用双焦点激光时，界面最高温度降为807 ℃，温度梯度降为47 ℃，界面金属间化合物层的厚度差由4.99 μm 减小为0.77 μm，接头强度由150 MPa 提高至187 MPa。同样，Zhang 等学者[29]为调节Ti/Al 异种合金激光熔-钎焊过程中界面反应的不均匀性，使用双激光束双边同步熔钎焊方法。分析了不同双光束输入条件下金属间化合物的形成机理。试验使用母材为TC4 钛合金与1050 铝，结果表明：两侧激光功率相同时，可以获得沿Ti/Al 界面具有均匀锯齿形金属间化合物的良好钎焊接头，如图3 所示。钎焊界面的左、中、右均分布有连续锯齿状的金属间化合物层，金属间化合物厚度为3～4 μm，结合强度最高可达铝合金母材的71%。

图3 钎焊界面左、中、右金属间化合物显微形貌[29]

为了提高母材的润湿性能，陈曦等学者[30-31]采用飞秒激光对钛合金表面进行织构处理，在研究中发现使用1.5 W 激光功率处理过的金属表面有最好的润湿性，润湿角为4.6°。并分别对飞秒激光处理、未处理Ti/Al 异种金属进行激光熔钎焊，对力学性能进行测试，飞秒激光未处理Ti 时，Ti/Al 异种金属接头的抗拉强度和断后伸长率分别为181.1 MPa 和4.1%。飞秒激光织构表面Ti/Al 异种接头的抗拉强度和断后伸长率分别为220.3 MPa 和5.7%。证明飞秒激光织构的微观形貌增强了Ti 表面的润湿行为，提高了结合质量。另外，Zhang 等学者[32]提出了在TA2/AA5150 异种接头中添加银网夹层制备Ag 合金铝焊缝和Ti/Al 界面区的新方法，研究了带银网和不带银网Ti/Al 接头的组织和力学性能。无Ag 焊缝的铝晶粒主要由原铝组成。这是铝凝固过程中镁元素重分布的结果。随着激光功率的减小，凝固界面前端过冷度和温度梯度增大，铝的成核速率增大。在含Ag 的铝焊缝中，Mg 元素被MgAg 相和MgAgAl 相富集。使原铝消失，活性Mg 元素减少。添加Ag 元素的铝晶粒比不添加Ag 元素的铝晶粒细小，原因可能是MgAg 相抑制了铝枝晶的生长。与未添加Ag 的铝焊缝相比，添加Ag 的铝焊缝织构减弱，枝晶发育不充分。证明银合金化可以减少Al3Ti 和Al 之间的力学性能不匹配。在银网的辅助下，接头的最佳平均抗剪强度从147.7 MPa 提高到171.4 MPa。

通过优化激光熔钎焊工艺、焊缝填充合金金属等方式可一定程度上改善Ti/Al 异种金属钎焊接头组织性能，但接头钛合金侧组织分布不均问题仍难以解决。

3.3 电弧熔钎焊

采用电弧作为热源进行Ti/Al 异种金属熔钎焊，对工件尺寸、接头形式的适应性强，工艺成本低，对环境要求低[33]。随着弧焊电源性能的不断发展，电弧熔钎焊技术也得到进一步重视。根据焊接电弧的不同，可分为：TIG 电弧熔钎焊、MIG 电弧熔钎焊及CMT 熔钎焊等。

为研究不同输入电流和焊接速率对钛合金/铝合金异种金属接头成形品质的影响，张萍等学者[34]利用TIG 对TC4 钛合金材料和6016 铝合金材料开展了异种金属的熔钎焊试验，当焊接电流为110～130 A、焊接速度为1.5 mm/s 时，焊接接头成形良好。钛合金与焊缝界面处发现锯齿状和棒状脆性金属间化合物TiAl3。接头具有3 种不同的断裂形态，其中以沿钛合金和钎料界面的破裂形态较为普遍，接头也呈现了脆性断裂特点。吕世雄等学者[35-36]同样利用TIG 工艺研究了填充金属添加稀土元素熔钎焊Ti-6Al-4V/LF6 接头，并对接头进行分析。未填充金属的熔钎焊接头抗拉强度为139 MPa，裂缝沿TiAl3层和焊缝间的边界延伸。焊缝添加Al-Cu-La 焊丝为填充物的接头，焊缝组织为TiAl3+Ti2Al20La 双化合物层，接头抗拉强度达到270 MPa，裂纹沿TiAl3化合物与钛合金界面处开裂。分析接头强度的提高与稀土La元素作用下形成的双化合物层有关。

为改善接头性能，何锡鑫[37]采用不同合金元素的焊丝对焊缝进行填充（焊接电流110 A、电弧电压15 V、焊接速度10 mm/s），电弧向铝合金一侧偏移0.3 mm 的MIG 电弧熔钎焊工艺对2.5 mm 厚的TC4钛合金和2A12 铝合金进行熔钎焊工艺试验。结果表明：采用不同合金元素的焊丝获得的熔钎焊接头，电弧直接加热区域的钛合金均发生了轻微熔化，形成一定厚度的呈现多层结构的熔合区，中下部为锯齿状的钎焊界面。钎焊界面周围的焊缝中均存在一定棒状、块状的析出相。Al-Si 焊丝获得的接头钛合金一侧上部熔合区较窄，而钎焊界面较宽整体厚度均匀。拉伸测试发现：填充Al-Si 焊丝获得的接头抗拉强度最高，达到227 MPa。孙军浩等学者[38]以ER4043铝合金焊丝做为填充材料，采用CMT（冷金属过度）熔钎焊工艺对6061 铝合金和TA2 钛板进行了异种合金连接试验。试验所获得的焊接接头显微组织具有明显的熔焊和钎焊双重特征，钛一侧的钎焊层呈现双层结构，由近钛合金界面的Ti3Al 连续层和近焊缝侧向焊缝生长的锯齿状的TiAl3层两部分组成。拉伸试验接头在铝合金母材的热影响区内断裂，抗拉强度达到197.5 MPa。针对钛合金与铝合金异种金属电弧熔钎焊研究主要集中于工艺改进与接头性能提高上，在接头钛侧及铝侧微观组织分布差异研究极少，不能从根本上解决界面组织的不均匀性。

4 结束语

（1）采用铝基钎料钎焊Ti/Al 接头时，可通过控制Si 元素含量来减少Ti-Al 金属间化合物的生成，同时添加适量Ga、稀土元素等来改善接头性能，但仍难避免钎焊时脆性金属化合物在Ti/Al 界面处形成。

（2）熔钎焊时虽可通过选择合适的焊接方法与焊接工艺或通过焊缝填充金属来减少脆性Ti-Al 金属间化合物生成，但由于熔钎焊时焊接热输入分布不均，易导致焊缝界面组织分布不均。

（3）寻找合适的钎焊工艺和钎料控制脆性Ti-Al金属间化合物的形成仍是钎焊钛合金/铝合金异种接头的主要研究方向。在熔钎焊方面，改变单一热源通过多种热源耦合调控可有效解决热输入分布不均的问题，减小接头界面组织分布的不均匀性，因此复合焊技术在钛合金与铝合金熔钎焊方向有很大应用前景。