ZrCuNi中间层瞬间液相...扩散连接纯钛TA2工艺研究_杨浩哲.pdf
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1、Electric Welding MachineVol.53 No.4Apr.2023第 53 卷 第 4 期2023 年4 月ZrCuNi中间层瞬间液相焊扩散连接纯钛TA2工艺研究杨浩哲,裴夤崟,沈元勋,秦建,李秀朋,刘德运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,河南 郑州 450001摘要:使用Cu、Ni纯金属箔厚度为0.01 mm,Zr纯金属箔厚度分别为0.01 mm、0.02 mm和0.03 mm的ZrCuNi中间层在880 30 min工艺条件下对TA2纯钛进行瞬间液相焊连接试验,研究了接头界面组织演化机理、中间层元素扩散作用及接头的力学性能。结果表明,接头界面组织
2、由焊缝中心化合物层和两侧共析组织构成,在中间层Zr箔厚度为0.01 mm时,焊缝中心形成了厚度约10 m的连续带状(Ti,Zr)2(Cu,Ni)金属间化合物,当Zr箔厚度提高到0.02 mm、0.03 mm时,焊缝中心形成含有(Ti,Zr)2(Cu,Ni)化合物的共晶组织,共晶组织厚度先增加到80 m后降低到37 m。焊缝中(Ti,Zr)2(Cu,Ni)化合物层维氏硬度在500 HV0.1以上,其厚度减小有助于提高接头强度,中间层Zr箔为0.01 mm时接头的剪切强度最高,平均值为207 MPa,裂纹沿焊缝中心化合物层和两侧共析组织扩展,断口具有韧窝特征和河流状花样,为韧性-脆性复合断裂模式,
3、Zr箔厚度提高到0.02 mm、0.03 mm时,接头剪切强度分别为92 MPa和 135 MPa,裂纹沿焊缝中心共晶组织扩展延伸,断口形貌显示的小平面解理特征是(Ti,Zr)2(Cu,Ni)化合物断口的典型形貌。关键词:纯钛;瞬间液相焊;ZrCuNi中间层;显微组织;力学性能中图分类号:TG454 文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2023)04-0081-09Study on Transient Liquid Phase Bonded of CP-Ti TA2 Joint with ZrCuNi InterlayerYANG Haozhe,PEI Yinyin,SHEN Yua
4、nxun,QIN Jian,LI Xiupeng,LIU DeyunState Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals&Technology,Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,ChinaAbstract:Transient liquid phase bonding was performed on TA2 titanium at 880 30 min using ZrCuNi interlayer with 0
5、.01 mm Cu foil,0.01mm Ni foil,0.01 mm,0.02 mm and 0.03 mm Zr foil.The mechanism of interfacial microstructure evolution,interlayer element diffusion and mechanical properties of the joint were studied.The results show that the interface structure of the joint is composed of the intermetallic compoun
6、d(IMC)layer in the center and the eutectoid structure on both sides.A continuous band of(Ti,Zr)2(Cu,Ni)IMC with a thickness of about 10 m is formed in the jonint center with 0.01 mm Zr interlayer.When the thickness of Zr interlayer increases to 0.02 mm and 0.03 mm,the eutectic structure containing(T
7、i,Zr)2(Cu,Ni)IMC is formed in the joint,and the thickness of the eutectic increases to 80 m and then decreases to 37 m.The microhardness of(Ti,Zr)2(Cu,Ni)IMC is above 500 HV0.1,which thickness decreasing is helpful to improve the joint strength.The decrease of the thickness of the brittle(Ti,Zr)2(Cu
8、,Ni)is helpful to improve the joint strength.The shear strength of the joint is the highest with 0.01 mm Zr interlayer,and the mean value is 207 MPa.The cracks spread along the IMC layer and the eutectoid structure on both sides.The fracture features dimple and fluvial pattern,which is a composite f
9、racture mode of toughness and brittleness.The shear strength of the joint is respectively 92 MPa and 135 MPa when the 收稿日期:2023-03-20基金项目:国家重点研发计划(2021YFB3401100)作者简介:杨浩哲(1998),男,硕士研究生,主要从事钛合金钎焊材料与工艺的研究。通信作者:裴夤崟(1975),男,硕士研究生导师,主要从事钎焊材料、钎焊工艺与设备等领域的研究。E-mail:。DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.04.0920
10、23 年thickness of Zr interlayer increase to 0.02 mm and 0.03 mm.The crack extends along the eutectic structure,and the facet cleavage characteristics shown by the fracture morphology are typical of(Ti,Zr)2(Cu,Ni)IMC.Keywords:CP-Ti;transient liquid phase bonding(TLPB);ZrCuNi interlayer;microstructure;
11、mechanical properties引用格式:杨浩哲,裴夤崟,沈元勋,等.ZrCuNi中间层瞬间液相焊扩散连接纯钛TA2工艺研究 J.电焊机,2023,53(4):81-89.Citation:YANG Haozhe,PEI Yinyin,SHEN Yuanxun,et al.Study on Transient Liquid Phase Bonded of CP-Ti TA2 Joint with ZrCuNi InterlayerJ.Electric Welding Machine,2023,53(4):81-89.0 前言钛与钛合金有色轻金属具有比强度高和耐蚀性好两大优异特性,在航
12、空航天工业、海洋和化工领域有着极其广泛的应用。钎焊是钛合金薄壁、复杂构件的关键连接方法,然而由于钛的化学性质活泼,易与大多数钎料合金元素反应1-2,产生溶蚀缺陷或形成脆性金属间化合物3-5,导致接头性能恶化,因此解决钛合金低溶蚀、高强韧钎焊连接对钛合金蜂窝板、板翅换热器等关键结构和高端装备制造具有重要意义。对于钛及其合金钎焊,银基和铝基钎料钎焊接头强度低,耐蚀性不足6,而钛锆基钎料在耐高温、防腐蚀和低温抗疲劳方面具有特殊作用7,因此其在获得高强度钛及其合金钎焊接头方面具有重要潜力。Wu等8研究了使用Ti-Cu-Ni钎料对商业纯钛和 Ti-15-3 母材的溶蚀行为,显微组织显示在970 10 m
13、in工艺条件下,钎缝中心存在连续块状Ti2Cu化合物,继续延长保温时间至30 min时连续块状化合物消除,但钎料对母材的溶蚀程度增加;Yue 等9使用 Ti-15Cu-15Ni 金属箔对商业纯钛和Ti-15Mo-5Zr-3Al进行了钎焊连接,在945 钎焊温度下接头中的Cu和Ni元素从熔融钎料中析出扩散到纯钛中导致Ti2Cu/Ti2Ni的析出,在该温度下长时间保温有助于弥散Ti2Cu析出相,接头剪切强度最大值为315 MPa。对于以Cu、Ni为主要合金元素的钛基钎料,Zr元素的引入能够降低钎料熔化温度,但可能导致钎缝中脆性金属间化合物含量增加。Yang等10使用Ti-20Zr-20Cu-Ni对
14、商业纯钛进行了钎焊连接,研究结果表明Zr元素的引入可大幅降低钎焊温度,在850 钎焊温度即可实现良好焊接,但钎缝中心形成了连续分布的带状化合物,当钎焊温度至910 时化合物层消失;Yuan等11研究了Ti粉、Zr粉与Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni 非晶钎料耦合作用对 TC4 和Ti2AlNb钎焊接头组织性能的影响,结果表明Zr粉的引入导致钎缝中金属间化合物的含量增加。钛锆基钎料合金由各类脆性金属间化合物构成,难以进行拉拔或轧制等塑性加工,目前常通过机械制粉或快速凝固制成非晶态箔供货,但由于工艺复杂,该类产品价格极其昂贵12。在一定的钎焊温度和较低的压力下,适宜的中间层材料可与钛母材进行
15、接触反应形成低熔液相,冷却凝固后形成牢固的接头,这种钛合金瞬间液相焊(Transient liquid phase bonding,TLPB)工艺在降低钛基钎料加工和钛合金钎焊制造成本方面更具经济效益。本研究采用纯Zr金属箔厚度分别为0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm,纯 Cu、纯 Ni 金属箔厚度均为0.01 mm的叠层ZrCuNi中间层在较低温度下对TA2纯钛进行了瞬间液相焊扩散连接,对接头界面组织、元素扩散行为进行了观察与讨论,分析了接头界面中反应相的形成、演变机制,此外还研究了中间层Zr金属箔厚度对接头显微组织和力学性能的影响。1 试验材料与方法试验采用热轧TA2板作为母材
16、,DTA热分析测得其相变温度为T/+=880.2,T+/=908.21,如图1所示。采用ZrCuNi中间层的规格和成分如表1所示。将TA2母材加工成30 mm50 mm10 mm的试块,用砂纸打磨试块待焊面去除氧化膜,然后将试块放入丙酮中超声清洗15 min。按照图2对试样进行装配。在真空度优于610-3 Pa的条件下进行焊接,焊接温度880,略低于转变温度,保温30 min后随炉冷却至室温。82第 4 期杨浩哲,等:ZrCuNi 中间层瞬间液相焊扩散连接纯钛 TA2 工艺研究将焊接试块切割加工为10 mm10 mm20 mm的试样,采用Phenom XL扫描电子显微镜对接头显微组织和物相成分
17、进行分析。使用MTS GDX300万能试验机和HV-1000A维氏硬度计测量接头的剪切强度和显微硬度,并通过扫描电镜对断口形貌进行观察分析。2 试验结果与讨论2.1 接头的显微组织在880 30 min工艺条件下,三种ZrCuNi中间层瞬间液相焊TA2纯钛接头的显微组织如图3所示,根据EDS能谱测得接头中各组织的化学成分如表2所示。首先,三种中间层都与母材形成良好冶金结合,焊缝中未出现未熔合、夹杂等焊接缺陷,这表明在880 条件下三种中间层都能进行接触反应和扩散作用形成低熔点液相,且对母材润湿性较好。此外,不同Zr厚度的中间层焊接接头界面组织有明显不同,在焊缝尺寸、物相组成和组织形貌等方面都有
18、较大差异。根据接头界面组织形貌特点,将焊缝分为焊缝中心 区和反应层 区两个区域。对于0.01ZrCuNi中间层的接头(见图3a),区为连续分布的窄带状白色相,厚度约为10 m,成分分析显示该相含有大量的Ti元素,这说明在此温度下,中间层与母材发生接触反应形成了低熔点液相,此外该组织(Ti,Zr)与(Cu,Ni)的原子比约为2 1,虽然其Zr含量较少,但是含有10.87 at.%的Ni元素,与Ti2Cu化合物成分具有较大差异,因此以低Zr含量的(Ti,Zr)2(Cu,Ni)金属间化合物表示此相。区主要由片层状相间分布的黑色和白色相组成,结合EDS 能谱分析推测其应为共析反应产物-Ti 和(Ti,
19、Zr)2(Cu,Ni),区是液相与母材的扩散反应区,在880 条件下,熔融液相Cu、Ni元素通过扩散进入母材-Ti中,由于Cu、Ni属于相共析型元素,随着该区域Cu、Ni含量的提高,母材发生同素异晶转变,固溶了一定Cu和Ni元素的-Ti在降温过程中发生-Ti-Ti和(Ti,Zr)2(Cu,Ni)的共析转变。此外,靠近母材的区分布有各种取向的黑色针状组织,针状组织中仅有Ti元素存在。表2接头中各微区的化学成分(原子分数,%)Table 2Chemical composition of reaction phases in the brazing joints(at.%)微区ABCDEFTi100
20、.0064.6387.7448.6190.0783.9Zr4.804.2822.096.818.77Cu19.703.0916.051.643.77Ni10.874.8913.241.483.55可能的相-Ti(Ti,Zr)2(Cu,Ni)共析反应产物(Ti,Zr)2(Cu,Ni)-Ti共析反应产物微区GHIJKLTi96.0495.4163.8349.5684.9698.98Zr3.964.595.6319.347.771.02Cu26.5014.973.60Ni7.7216.133.68可能的相-Ti-TiTi2Cu(Ti,Zr)2(Cu,Ni)共析反应产物-Ti图 1纯钛TA2相变温度F
21、ig.1Phase transition temperature of CP-Ti表1三种ZrCuNi中间层Table 1Three kinds of ZrCuNi interlayer中间层0.01ZrCuNi0.02ZrCuNi0.03ZrCuNi金属箔厚度/mmZr0.010.020.03Cu0.01Ni0.01化学成分/wt.%Zr264252Cu372924Ni372924图2焊接试样装配和剪切试验取样示意Fig.2Schematic diagram of bonding sample assembly and shear test sample832023 年对于0.02ZrCuN
22、i中间层的接头(见图3b),区厚度约80 m,显示出白色相为基底、黑色相弥散分布的共晶组织特征,结合Ti(Zr)-Cu(Ni)相图分析可知,区在凝固过程发生L(Ti,Zr)2(Cu,Ni)+-Ti的共晶反应,白色相成分接近(Ti,Zr)2(Cu,Ni)金属间化合物,但与B点相比其Zr含量更高,这可能是因为其Zr2(Cu,Ni)含量较高。黑色相中Cu、Ni含量很低,由于-Ti在室温下几乎无法固溶Cu和Ni元素,因此该相应为电镜下无法分辨的细小共析组织,是冷却过程中-Ti 发生共析反应的产物-Ti+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)。0.02ZrCuNi中间层接头区的组织形貌与0.01ZrCuNi中间
23、层接头的II区类似,该区域同样以片层相间的共析反应产物-Ti+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)为主要反应相,尽管已经有部分白色相渗入到两侧母材中,但是在靠近母材侧仅形成极少量细小的针状-Ti组织,值得注意的是 区和母材交界形成了仅有Ti、Zr元素组成的灰色薄层,这是由于Ti与Zr属于同族互溶元素,其能形成具有无限固溶度的置换固溶体,因此相较于Cu和Ni元素,Zr的扩散距离更远。当进一步增加中间层的Zr含量时,0.03ZrCuNi中间层的接头I区的宽度减少到约37 m,这可能是(a)0.01ZrCuNi中间层接头(b)0.02ZrCuNi中间层接头(c)0.03ZrCuNi中间层接头图3TA2/T
24、A2接头的显微组织Fig.3Microstructure of TA2/TA2 joint84第 4 期杨浩哲,等:ZrCuNi 中间层瞬间液相焊扩散连接纯钛 TA2 工艺研究Zr含量提高后形成的液相熔点进一步降低,在同样焊接温度下其流动性更好,液相流失后使焊缝厚度减小,在冷却凝固过程形成了较薄的共晶反应层。图3c和表2显示I区由共晶相组成,但其共晶中同时存在白色高Zr含量(19 at.%)和灰色低Zr含量(6 at.%)的(Ti,Zr)2(Cu,Ni)化合物。扩散区组织与26Zr的 区类似,不同在于其中分布有灰色细条状组织,成分接近Ti2Cu化合物。根据Harish D等人13的研究结果,过
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