【摘 要】
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钛合金具有强度高、密度低、韧性好等多种优良性质,被广泛应用于航空航天领域,但在600°C以上使用时性质不够稳定。镍基高温合金具有强度高、耐腐蚀性强、更加耐热的优点,但密度较大、使用成本较高。将密度较小的钛合金与耐热耐腐蚀的镍基高温合金连接,可以提高航空发动机的推重比,满足航空航天领域的使用要求,具有良好的应用前景。本文采用钎焊技术连接TA15钛合金与K4648镍基高温合金,对钎料体系、钎焊参数对接
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钛合金具有强度高、密度低、韧性好等多种优良性质,被广泛应用于航空航天领域,但在600°C以上使用时性质不够稳定。镍基高温合金具有强度高、耐腐蚀性强、更加耐热的优点,但密度较大、使用成本较高。将密度较小的钛合金与耐热耐腐蚀的镍基高温合金连接,可以提高航空发动机的推重比,满足航空航天领域的使用要求,具有良好的应用前景。本文采用钎焊技术连接TA15钛合金与K4648镍基高温合金,对钎料体系、钎焊参数对接头组织物相及性能的影响进行分析,阐述了钎焊连接中接头组织、性能变化规律,并分析其界面连接机理。使用Au-Ni合金钎料连接TA15与K4648时,接头典型组织为:TA15/β-Ti+共析组织/Ti3Au+Ti2Ni/富Ti相/Ti-Cr-Ni三元Laves相/（Cr,Ni）固溶体/K4648。随着钎焊温度升高,两侧母材溶解加剧,焊缝中央区域厚度增加。保温时间延长时,钎料中的Au、Ni元素向TA15母材一侧扩散增加,焊缝中央区域厚度减小,K4648侧界面反应层与TA15侧交互作用层增厚。随着温度上升、保温时间延长,接头拉剪强度先上升后降低。在1000°C/10min的钎焊工艺下,接头拉剪强度最高,达到72MPa。由于焊缝中央区域的Ti3Au与Ti2Ni均为脆性金属间化合物,为降低其厚度,并缓解两侧母材向液态钎料中的溶解作用,选用厚度较小的Au-Ni叠箔钎料连接TA15与K4648,接头典型组织与合金钎料连接相同。组织与性能随保温时间和焊接温度的变化趋势也与合金钎料相同。当使用Au-Ni叠箔钎料在1020°C保温10min时,接头拉剪强度达到最高,为120MPa,相较于合金钎料钎焊接头提高约66.6%。由于使用Au-Ni钎料直接连接TA15与K4648,难以抑制焊缝中央脆性金属间化合物Ti3Au、Ti2Ni生成,对接头可靠性不利。因此,研究了加入Nb中间层的分步钎焊TA15/K4648,既阻碍Ti元素与Au、Ni元素之间的过度反应形成金属间化合物,又可以通过Nb中间层的塑性缓解异种金属连接时热膨胀系数不同引起的热错配应力。使用Au-Ni合金钎料在较高温度第一步连接K4648与Nb中间层,第二步使用Ag-Cu-Ti钎料在TA15相变点以下的较低温度连接第一步半成品与TA15。接头的典型组织为:TA15/α-Ti+Ti2Cu/Ti-Cu系金属间化合物/Ag基固溶体+Ti3Cu4+Ti Cu4/（Ti,Nb）固溶体+Ti Cu/Nb/Nb Ni3/Au-Ni-Nb三元金属间化合物/Au-Ni调幅分解组织/（Cr,Ni）固溶体/K4648。对第二步钎焊工艺进行研究,随着焊接温度提高,元素扩散速率增加,接头组织中Ti-Cu系金属间化合物增多,延长保温时间组织影响相同。焊接温度增加,接头力学性能先上升再下降,保温时间延长,接头强度降低。由于在第二步钎焊过程中,第一步的Au-Ni焊缝区域均为固态,固相扩散速率较慢使得组织变化不明显。第一步为980°C保温5min连接K4648与Nb,第二步850°C保温0min连接第一步半成品与TA15,接头拉剪强度最高达到185MPa,相比Au-Ni合金钎料直接连接力学性能提高156.9%,分步钎焊法有效提高了接头的力学性能。
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