Ti150/Ti180异种钎焊接头的微观结构与力学性能(采用钛基填充金属)

时间:2026年2月9日
来源:Vacuum

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钛合金异种接头钎焊工艺优化及界面微观结构调控研究,采用TiZrCuNi填充金属在890-940℃下进行Ti150/Ti180合金钎焊,系统优化参数后930℃时接头剪切强度达432 MPa峰值,但940℃晶粒粗化导致性能下降。研究表明低温易形成脆性(Ti,Zr)₂(Cu,Ni)中间相引发裂纹,高温促进中间相破碎并优化微观结构。

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Xinlei Ding|Yunjia Huang|Wei Guo|Jiapeng Dong|Da Zhang|Yeming Guo
西北工业大学凝固加工国家重点实验室,中国西安,710072

摘要

采用TiZrCuNi填充金属,在890-940°C的温度范围内对不同的钛合金Ti150和Ti180进行了10分钟的钎焊。通过系统参数优化,实现了有效的连接。在相对较低的温度下,观察到脆性金属间化合物(Ti,Zr)2(Cu,Ni)的过度形成,导致明显的硬度不匹配和裂纹优先萌生。扩散影响区主要由针状和块状的α/β-Ti相组成。提高钎焊温度有助于将粗大的金属间化合物分解为更细小的沉淀物,从而有效调节界面微观结构。在930°C时,获得了最大剪切强度432 MPa,这与微观结构的最佳均匀化情况相符。然而,当温度进一步升高到940°C时,基材发生了显著的晶粒粗化,导致机械性能逐渐恶化。

引言

为了满足先进航空发动机应用日益增长的需求,传统的分段叶片-盘组件正逐渐被基于钛合金的集成叶片设计所取代。这种结构演变具有双重优势:消除了机械接头,使得旋转部件的重量减少了大约15-20%,同时提高了抗疲劳性能。因此,钛合金叶片已成为下一代推进系统的关键技术途径[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]。在运行条件下,发动机盘和叶片会经历不同的应力和热环境,需要选择两种不同的材料来优化性能[9],[10],[11]。钛合金在航空发动机核心部件中不可或缺,其优异的比强度和耐腐蚀性直接提升了下一代推进系统的推重比[12],[13],[14]。Ti150 (TA37)因其良好的加工性能而在航空航天领域得到广泛应用。其出色的抗蠕变性能和疲劳强度使其能够在600°C下长期服役[15],[16],[17]。Ti180 (TC19)是一种α+β双相钛合金,利用钼来稳定β相,在室温到450°C的范围内实现了优异的强度-韧性平衡和拉伸性能,使其成为航空发动机盘的最佳材料[18],[19]。这两种材料的协同集成具有重要的工程意义。Zeng等人[20]指出,尽管EB焊接的Ti-35421接头保持了中等强度,但出现了严重的延性损失,这归因于熔合区内含有ω的柱状β晶粒中的应变局部化。Cheng等人[21]研究了电子束焊接的TC17/Ti60钛合金异种接头。熔合区显示出杆状α/β相,具有峰值硬度,而HAZ微观结构在两种合金之间存在差异。所有拉伸断裂都发生在较软的Ti60基材中。疲劳极限分别达到了425 MPa和380 MPa,焊接微孔被确定为主要的疲劳裂纹萌生部位。根据Ou等人的研究[22],当使用瞬态液相(TLP/TLG)焊接TC4和TA17时,热影响区经历了多次热-微观结构转变,导致热影响区域晶粒严重不均匀,从而严重恶化了接头的机械性能。同时,Li等人[23]采用电子束焊接(EBW)连接TC4和TA7;然而,高热输入导致基相微观结构的溶解,并在接头中引入了高残余应力,从而限制了接头性能的进一步提高。传统的固态焊接方法由于其相对均匀且可控的热输入,通常更适合连接钛合金。尽管一些研究报道了通过旋转摩擦焊接成功连接钛合金,但该过程的固有特性往往会在接头处形成大量的飞边,这对实际应用不利[24]。Cai等人[25]使用TiZrCuNi非晶填充材料对Ti2AlNb/GH99进行了钎焊,形成了包括脆性Ti2Ni(Al,Nb)和(Ti,Zr)2(Ni,Cu)在内的界面相。最佳参数(1000°C/8分钟)实现了216.2 MPa的峰值剪切强度。过高的温度/时间会导致脆性相的粗化,引发裂纹扩展和强度降低。根据Galindo-Navaa等人的研究[26],增加TiZrCuNi填充金属中的Zr含量可以增强接头强度,这是通过固溶强化实现的。
这些发现突显了Ti180/Ti150复合结构在航空航天领域的潜力,强调了推进其钎焊技术的理论和实际意义。

材料与方法

在本实验中,使用了Ti180和Ti150作为基材,其化学成分列于表1中。Ti180合金由中国科学院金属研究所提供,其中含有较高的Mo含量,以增强β相的稳定性,α + β → β相转变温度约为970°C。如图1a和b所示,Ti180合金具有典型的高纵横比篮状编织微观结构。

Ti150/Ti180接头的典型微观结构

在900°C下钎焊10分钟后形成的接头微观结构如图5所示。如图5a所示,可以识别出三个特征区域。靠近Ti180的区域I具有丰富的灰白色针状相的过渡基体。区域II显示出基于共晶的结构,包含灰色成分和不连续的亮白色相。在相对较低的温度下,原子无法获得足够的动能进行有效的扩散。

讨论

钎焊界面的形成主要由填充金属与基材之间的扩散相互作用决定,包括两种主导机制:等温固化和亚液相温度下的部分填充金属液化。当温度低于填充金属的熔点时,固态扩散主导了界面相互作用。当温度高于液相线时,液态填充金属完全润湿并与基材发生反应。

结论

通过对Ti180和Ti150使用Ti-Zr-Cu-Ni作为填充金属进行钎焊实验,得出了以下结论:
  • (1)
    在低温钎焊过程中,接头内部观察到明显的元素偏聚,形成了粗大的连续金属间化合物(IMC),包括(Ti,Zr)2(Cu,Ni)。这些IMC被认为是裂纹萌生的优先位置,最终导致接头机械性能显著下降。
  • (2)
    随着温度的升高,扩散
  • 数据和代码可用性

    作者无法或选择不指定使用了哪些数据。

    作者贡献声明

    Wei Guo:监督、资金获取。Yunjia Huang:软件开发。Xinlei Ding:撰写初稿、数据整理、概念构思。Yeming Guo:软件开发。Da Zhang:软件开发。Jiapeng Dong:实验研究

    利益冲突声明

    作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

    致谢

    本工作得到了国家自然科学基金(项目编号52475404)、西北工业大学凝固加工国家重点实验室(项目编号2025-TS-15)、2023年沈阳科技计划(项目编号23-401-1-06)、材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室(项目编号AWJ-24HK03)以及西北工业大学研究生实践与创新基金(项目编号PF2025042)的支持。

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