文章信息
- 李万青, 魏红梅, 何鹏, 高丽娇, 林铁松, 李小强, 赫兰春. 2015.
- LI Wan-qing, WEI Hong-mei, HE Peng, GAO Li-jiao, LIN Tie-song, LI Xiao-qiang, HE Lan-chun. 2015.
- Ti3Al和Ti2AlNb合金扩散连接界面的组织及力学性能
- Interfacial Microstructure and Mechanical Properties of Diffusion Bonding of Ti3Al and Ti2AlNb Alloys
- 材料工程, 27(1): 37-43
- Journal of Materials Engineering, 27(1): 37-43.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.01.007
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文章历史
- 收稿日期:2013-12-10
- 修订日期:2014-11-24
2. 北京航空材料研究院, 北京 100095;
3. 北京星航机电装备有限公司, 北京 100074
2. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;
3. Beijing Xinghang Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd., Beijing 100074, China
Ti3Al合金相比Ti基合金具有较高的弹性模量和抗蠕变力,作为新兴的高温结构材料已得到广泛深入的研究[1],成为Ti-Al系金属间化合物中最优先接近实用化的材料[2, 3, 4]。但是单相的Ti3Al金属间化合物的室温塑性仍然在1%以下[5, 6],在改善其塑性的工作中,引入第二相的合金化方法取得了较大进展。其中Ti2AlNb合金是一种Nb含量较高的Ti3Al合金,具有较高的比强度、优良的塑韧性和抗蠕变能力,是一种较有潜力的航空航天发动机热端部件结构材料[7, 8, 9]。使用Ti2AlNb合金代替传统高温合金可以降低发动机和运载工具本身的质量,提高发动机的比推力和效率[10, 11]。但是较高的Nb含量使Ti2AlNb密度比Ti3Al大,预期选用Ti2AlNb为环体,Ti3Al为叶片的结构,可以达到更好的减重效果。因此研究二者的连接对于拓宽其应用领域具有十分重要的意义[12, 13]。
目前对Ti3Al合金的连接方式主要有熔化焊、钎焊和扩散焊三种方法:熔化焊和钎焊往往容易引入杂质使得接头性能降低,而扩散连接可以实现同种材料或者异种材料之间高质量的连接。Threadgill[14]采用扩散焊连接了a2和超a2合金。钱锦文等[15]以Nb/Ni为中间层扩散连接Ti2AlNb和GH4169合金,得到了Ti2AlNb/高Nb的O相/Ti-Nb固溶体/残留Nb层/Ni3Nb2/Ni6Nb7/GH4169的界面组织。许多研究结果显示,连接温度影响的相变以及接头处的成分梯度是Ti3Al合金扩散连接需要关注的问题。目前关于Ti3Al和Ti2AlNb的扩散连接报道较少,本工作进行Ti3Al和Ti2AlNb两种合金的扩散连接,因二者具有相似的物理化学性质,故选用直接扩散的方法连接Ti3Al和Ti2AlNb,研究工艺参数对直接固相扩散连接接头界面组织和力学性能的影响。
1 实验方法实验用Ti3Al原子比为Ti-23Al-17Nb,由初生α2相、初生片状O相和基体B2相组成,密度为4.5g/cm3,母材沿轧制方向的室温和650℃高温抗拉强度分别为966MPa和698MPa。Ti2AlNb合金成分为Ti-17Al-25Nb,由O+B2相两相组成,密度为4.9g/cm3。母材沿轧制方向的室温和650℃的平均抗拉强度分别为1096MPa和809MPa。
实验前采用电火花线切割的方式将Ti2AlNb合金加工成6mm×4.5mm×3mm尺寸试件。将Ti3Al合金加工成8mm×8mm×3mm尺寸试件用于金相观察和15mm×8mm×3mm尺寸试件用于剪切性能测试,拉伸实验所用Ti2AlNb和Ti3Al试件尺寸均为30mm×15mm×3mm,经电火花线切割和砂纸打磨之后进行拉伸实验。
实验前使用200~2000#砂纸对Ti3Al和Ti2AlNb母材待焊表面进行逐级打磨,之后将其置于丙酮溶液中超声清洗10min,以去除表面油污。装配后放入Centorr CVI M60真空炉(真空度约为2×10-2Pa)中扩散连接。固相扩散连接Ti3Al与Ti2AlNb合金所采用连接温度为850~1050℃,保温时间为15~120min,连接压力为3~10MPa。制备完成的试样由电火花线切割,经逐级砂纸打磨、抛光、腐蚀之后,采用扫描电镜观察接头显微组织和断口形貌,利用能谱仪和X射线衍射仪分析接头成分。使用INSTRON MODEL 1186电子万能试验机对连接接头进行抗剪强度测试和抗拉强度测试,加载速率为0.5mm/s,接头强度通过计算5个有效强度的平均值获得。
2 实验结果与分析 2.1 连接压力对接头界面组织和性能的影响在扩散连接过程中,最基本的要求是对母材表面的物理接触,对待焊母材加压是一个重要的方法,在宏观压力作用下,微观不平的表面局部接触点开始接触,最终达到全面物理接触,这是形成冶金结合的前提条件,因此连接压力是扩散焊接中的重要参数。
本节中对不同连接压力下Ti3Al和Ti2AlNb合金直接固相扩散焊的接头界面微观组织进行研究。理论上随着连接压力的增加,母材接触更有效,接头界面元素扩散更加充分,接头的焊合率逐渐增大。图 1为不同连接压力在950℃保温60min时的接头显微组织,可以看出,接头区域的组织在各个压力参数下并未发生明显的变化,这可能是由于Ti3Al和Ti2AlNb母材自身具有良好的塑韧性,因此在扩散连接的高温条件下,只需要较小的压力就可以使母材发生初步接触,在一定连接温度和保温时间下便可形成扩散层。由图 1可见,虽然不同压力下都实现了较好的物理接触并形成了扩散反应层,但是从微观晶粒的角度观察,5MPa和7MPa压力形成接头的晶粒尺寸小于3MPa和10MPa的接头。这说明连接压力过小使得界面扩散反应不够充分,连接压力过大则会导致接头母材中的B2相晶粒一定程度上的长大,晶粒粗化。
图 2为在950℃保温60min条件下,连接压力对Ti3Al/Ti2AlNb接头抗剪强度的影响。分析认为,连接压力较低时,不利于原子扩散以及回复和再结晶,而随着连接压力的增大,界面微观孔洞逐渐消失,使得接头界面接触充分,界面被充分激活,促进回复和再结晶,可获得冶金结合良好的接头。但当压力过大时,在一定程度上促进了自扩散,导致母材中的相晶粒粗化,接头强度有所下降。
综上所述,只要保证母材试样制备规范,连接温度和保温时间等工艺参数在合理范围内,连接压力并不是影响Ti3Al/Ti2AlNb接头界面显微组织和力学性能的主要因素。后续实验中,连接压力均选为5MPa。
2.2 保温时间对接头界面组织和性能的影响图 3为连接温度1000℃,连接压力5MPa条件下,保温时间对接头界面组织的影响。由于两种母材原子含量相差不大,扩散程度主要依赖于连接温度的升高和保温时间的延长。当保温时间为15min时,Ti3Al/Ti2AlNb接头处有比较明显的界面分界(图 3(a))。随着保温时间的延长,Ti3Al和Ti2AlNb的元素互相扩散,保温30min时界面处主要形成板条状的O相和次生片状α2相,B2相仍以基体相的成分存在(图 3(b))。
当保温时间达到60min时,Ti3Al/Ti2AlNb界面处元素扩散更加充分,界面反应层厚度逐渐增加,界面分界逐渐消失。在界面处形成板条状的O相组织,靠近Ti2AlNb侧有富B2相层存在(图 3(c))。分析认为这是由于Al原子扩散较快,Nb原子在Ti2AlNb留存下来形成富B2相区。
但是当保温时间达到120min时,如图 3(d)所示,Ti3Al母材一侧发生的相变与温度过高时相似,黑色块状α2相消失,形成编织状的魏氏组织结构。这是由于原子扩散不断进行,α2相逐渐溶解,含量下降,相应的B2相增加,最终导致晶粒粗化。
保温时间会影响接头的力学性能。图 4为T=1000℃,P=5MPa时,保温时间对接头室温抗剪强度的影响。可以看出,当保温时间为15min时,由于界面处元素扩散并不充分,接头结合力较差。随着保温时间的延长,接头的室温抗剪强度逐渐升高,达到635MPa左右,并且接头抗剪强度在较宽的保温时间范围内保持较高的水平。这说明抗剪强度值与显微组织分析结果相一致。
2.3 连接温度对接头界面组织和性能的影响在保温时间为60min,压力5MPa不变的前提下,改变连接温度,观察分析连接温度对Ti3Al/Ti2AlNb接头界面组织和力学性能的影响。图 5所示为不同连接温度下接头显微组织照片,图中左侧为Ti3Al,右侧为Ti2AlNb。
当温度较低时,如图 5(a),(b)所示,在接头处有明显的界面分界,原子扩散不充分,存在未焊合或孔洞。随着温度的升高,如图 5(c),(d)所示,Ti3Al/Ti2AlNb界面孔洞消失,形成连续的扩散层,并且界面区域元素扩散程度逐渐加深,反应层逐渐加厚。但是当连接温度上升到1050℃时,如图 5(e)所示,Ti3Al侧母材发生了明显的相变,黑色块状α2相消失,焊缝中具有粗大等轴的原始B2相晶粒,在B2相晶界上有完整的α2相网,且在B2相晶内有长条状α2相,α2相间夹有B2相,形成呈编织状的魏氏组织。
为进一步研究连接温度对Ti3Al母材组织的影响,对原始母材和经过T=1050℃,t=60min热循环的母材进行XRD物相分析,结果如图 6所示。从图 6(a),(b)的对比中可以发现,原始Ti3Al母材中主要由α2,B2和O相组成,但是当母材经过1050℃的热循环之后,α2相明显减少,主要以B2相存在。与上述分析结果相同,即Ti3Al母材经过1050℃高温热循环之后,自身会发生相变。
在保温时间t=60min,连接压力P=5MPa的工艺条件下,对不同连接温度下的接头组织进行抗剪强度测试,如图 7所示。可以观察到,当温度处于较低范围850~900℃,剪切应力达到最大极限时载荷迅速消失,表现为脆性断裂。而当温度在950℃以上,载荷达到最高点时会有一段时间的屈服,并且其屈服范围较大,具有较好的塑性变形,表现为塑性断裂。
T=850℃,t=60min,P=5MPa 时的剪切断口显微组织如图 8所示,断口能谱分析结果如表 1所示。图 8中C区域的成分接近于接头界面的成分,而白亮的B区域中Nb含量较高,综合分析断裂发生于Ti3Al/Ti2AlNb界面焊缝处。连接温度较低时,剪切实验的断裂发生在界面焊缝处,此时焊缝质量较差。
对950℃/60min/5MPa接头的XRD分析如图 9所示,断口处主要以α2相、O相和B2相为主,与Ti3Al母材中的相相同,确认其断口位于Ti3Al母材一侧。这说明随着连接温度的升高元素扩散逐渐充分,Ti3Al/Ti2AlNb界面结合紧密,焊缝质量提高。
在保温时间60min,连接压力5MPa的工艺参数下,连接温度对Ti3Al/Ti2AlNb接头抗剪强度的影响如图 10所示,随着连接温度的升高,抗剪强度提高。当连接温度上升至1000℃时,原始的连接界面已完全消失,扩散充分,结合良好,抗剪强度达到635MPa左右。然而扩散连接温度过高时,母材的组织会发生相变。因此,1000℃是Ti3Al/Ti2AlNb直接固相扩散连接的优选工艺温度。
为进一步研究连接温度对接头性能的影响,选择最优工艺1000℃/60min/5MPa的连接试样进行拉伸实验,实验结果同样表明断裂发生于Ti3Al母材侧,如图 11所示。接头平均抗拉强度值为795MPa,但是Ti3Al母材室温拉伸实验的测试强度平均值约为1046MPa,接头处的Ti3Al母材强度低于原始母材的抗拉强度。
为证实高温热循环对Ti3Al母材性能的影响,对热处理前后的Ti3Al母材进行室温拉伸实验,经过T=1000℃,t=60min的高温热循环之后,室温抗拉强度由原始母材的1046MPa下降至801MPa,大约为原始母材的76%。这说明虽然在1000℃时未产生相变,但较高的连接温度对Ti3Al母材性能仍然造成了一定的损伤,在扩散连接中需进一步降低连接温度以减少母材自身性能的下降,这也是今后完善连接工艺的方向之一。
3 结论(1)Ti3Al/Ti2AlNb扩散连接接头的典型界面组织结构为Ti3Al/O相+α2相过渡层/富B2层/Ti2AlNb。
(2)连接温度过低或保温时间太短导致扩散不充分,甚至产生未焊合缺陷,连接温度超过1050℃或保温时间长于120min则导致Ti3Al相变;连接压力对界面组织影响较小,5~7MPa即可实现连接。
(3)在连接温度1000℃,保温时间60min,连接压力5MPa的条件下,接头的室温抗剪强度为635MPa,室温抗拉强度为795MPa,断裂于Ti3Al母材侧。
[1] | FROES F H, SURYANARAYANA C, ELIEZER D. Synthesis, properties and applications of titanium aluminides[J]. Journal of Materials Science, 1992, 27(19): 5113-5140. |
[2] | 熊华平, 毛建英, 陈冰清, 等. 航空航天轻质高温结构材料的焊接技术研究进展[J]. 材料工程, 2013, (10): 1-12.XIONG H P, MAO J Y, CHEN B Q, et al. Research advances on the welding and joining technologies of light-mass high-temperature structural materials in aerospace field[J]. Journal of Materials Engineering, 2013, (10): 1-12. |
[3] | 司玉锋, 陈子勇, 孟丽华, 等. Ti3Al基金属间化合物的研究进展[J]. 特种铸造及有色合金, 2003,23(4): 33-35.SI Y F, CHEN Z Y, MENG L H, et al. Research progress in Ti3Al base intermetallic compound[J]. Special Casting and Nonferrous Alloys, 2003,23 (4): 33-35. |
[4] | 张建伟, 李世琼, 梁晓波,等. Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究与应用[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(增刊1): 336-341.ZHANG J W, LI S Q, LIANG X B, et al. Research and application of Ti3Al and Ti2AlNb based alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(Suppl 1): 336-341. |
[5] | GOGIA A K, NANDY T K, BANERJEE D, et al. Microstructure and mechanical properties of orthorhombic alloys in the Ti-Al-Nb system[J]. Intermetallics, 1998, 6(7): 741-748. |
[6] | 谷晓燕, 孙大千, 任振安,等. Ti3Al基合金瞬间液相扩散连接接头组织与力学性能[J]. 焊接学报, 2010, 31(5): 45-48.GU X Y, SUN D Q, REN Z A, et al. Microstructure and mechanical properties of transient liquid phase diffusion bonding joint of Ti3Al alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2010, 31(5): 45-48. |
[7] | ZOU G S, XIE E H, BAI H L, et al. A study on transient liquid phase diffusion bonding of Ti-22Al-25Nb alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2009, 499(1): 101-105. |
[8] | CHENG Y J, LI S Q, LIANG X B, et al. Effect of deformed microstructure on mechanical properties of Ti-22Al-25Nb alloy[J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2006, 16(3): 2058-2069. |
[9] | 司玉锋, 孟丽华, 陈玉勇. Ti2AlNb基合金的研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2006, 36(3): 10-13.SI Y F, MENG L H, CHEN Y Y. Research development of Ti2AlNb-based alloy[J]. Aerospace Materials and Technology, 2006, 36(3): 10-13. |
[10] | 钱锦文, 李京龙, 熊江涛, 等. 扩散连接Ti2AlNb/GH4169反应动力学研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2011, 40(12): 2106-2110. QIAN J W, LI J L, XIONG J T, et al. Study on reaction kinetics in diffusion bonding of Ti2AlNb and GH4169 with Nb+Ni foils as interlayer[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2011, 40(12): 2106-2110. |
[11] | 贾倩, 姚泽坤, 张东亚, 等. 时效时间对Ti2AlNb/TC11双合金焊接界面组织和性能的影响[J]. 热加工工艺, 2013, 42(18): 138-140. JIA Q, YAO Z K, ZHANG D Y, et al. Effects of aging time on microstructure and property in welding interface of Ti2AlNb/TC11 dual alloy[J]. Hot Working Technology, 2013, 42(18):138-140. |
[12] | BAESLACK W A, MASCORELLA T J, KELLY T J. Weldability of a titanium aluminide[J]. Welding Journal, 1989, 68(12): 483-498. |
[13] | 周恒, 李宏伟, 冯吉才. Ti3Al基合金的真空钎焊[J]. 有色金属, 2005, 57(2):11-14. ZHOU H, LI H W, FENG J C. Vacuum brazing of Ti3Al-based alloy[J]. Nonferrous Metals, 2005, 57(2):11-14. |
[14] | THREADGILL P L. The prospects for joining titanium aluminides[J]. Materials Science and Engineering: A, 1995, 192-193: 640-646. |
[15] | 钱锦文, 李京龙, 侯金保, 等. Nb+Ni中间层对Ti2AlNb与GH4169扩散连接接头组织与性能影响[J]. 航空材料学报, 2009, 29(1): 57-62. QIAN J W, LI J L, HOU J B, et al. Microstructures and mechanical properties of diffusion bonded Ti2AlNb and GH4169 joints by using Nb+Ni interlayer[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2009, 29(1): 57-62. |