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钛合金因其优良的综合性能而应用更趋广泛。BT20钛合金是一种近α-钛合金,与其他可焊钛合金相比,它在500℃下具有较好的高温强度,在500～550℃下长期加热后,仍具有良好的热稳定性能。钎焊是钛合金连接技术中较为重要的一种连接方法,尤其在特殊材料或特殊结构的连接中,具有不可替代的地位。钛合金钎焊用钎料主要分银基、铜基和钛基钎料三大类。其中,钛基钎料焊接接头的强度高,耐蚀性优良,耐热性好,应用最为广泛。本文首先设计制备了Ti-Zr-Ni-Cu四元钎料合金并测定了钎料的相关性能。然后,研究了钎焊接头的常温和高温剪切强度,测试了焊缝的显微硬度,并关注了钎焊工艺对母材的影响。最后,研究分析了钎焊接头的界面组织、焊缝相组成以及接头的断口形貌。
试验证明,本文中设计制备的Ti-20Zr-15Ni-15Cu(下称4号)、Ti-30Zr-15Ni-15Cu(下称5号)和Ti-22Zr-15Ni-15Cu(下称12号)三种钎料的熔化温度都低于市购Ti-12.39Zr-9.26Ni-22.34Cu(下称0号)钎料,且流动性及铺展后的表面形貌也都好于0号钎料。
随着钎焊温度的升高,保温时间的延长,钎焊接头的常温剪切强度逐渐升高。970℃×120min是试验中得到的最佳钎焊工艺,在该工艺条件下,12号钎料钎焊接头的常温剪切强度和高温剪切强度分别是493+62MPa和424±104MPa,分别高于0号钎料钎焊接头的459±18MPa和343±15MPa。钎焊工艺对母材的拉伸强度和显微组织影响不大。
在保温温度较低,保温时间较短情况下,钎焊焊缝包括三个特征层,由焊缝中心向外依次是:残余钎料层,富金属间化合物层和魏氏体层。随着钎焊保温温度的升高,保温时间的延长,焊缝中的富金属间化合物层和残余钎料层逐渐消失。9700Cxl20min工艺下的钎缝完全由魏氏体组成。为了得到性能良好的接头,应该避免焊缝中残余钎料层和富金属间化合物层的出现,同时也应该避免魏氏体结构的粗大化。钎焊接头在大气环境下,经高温处理(550℃下保温20min)后,整个焊缝的形态、焊缝中显微组织的形貌及数量都没有发生明显的变化。但是焊缝表面发生严重氧化,焊缝中氧元素的质量百分数接近30％。
随着钎焊温度的增高,保温时间的延长,接头断裂形式由脆性断裂变为延性断裂。970℃×120min钎焊工艺下,四种钎料各自钎焊接头在常温和高温下(550℃下保温20min)均为延性断裂。