Influence of Process Parameters on Microstructure and Microhardness of TC4 Joints
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摘要: 采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料真空钎焊TC4钛合金，研究不同保温时间对钎焊接头的影响. 采用光学显微镜(OM)，扫描电子显微镜(SEM)，能谱仪(EDS)和显微硬度计对接头的显微组织和力学性能进行分析. 结果表明，焊缝主要组织为α-Ti与β-Ti，且随着保温时间的增加，焊缝区逐渐增厚，组织逐渐粗大. 当保温时间为40 min时，焊缝显微硬度最大，平均硬度（HV）为328，最大硬度为335.Abstract: TC4 titanium alloy was vacuum brazed with Ti-Zr-Cu-Ni amorphous brazing alloy, and the effects of different holding times on brazed joints were investigated. The optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), energy data spectrometer (EDS) and micro-hardness tester were used to analyze the microstructure and mechanical properties of the joints. The results show that the main microstructure of the weld was α-Ti and β-Ti, and with the increase of holding time, the weld zone is gradually thickened and the microstructure is gradually coarse. When the holding time was 40 min, the micro-hardness of the weld was the largest, the average hardness (HV) was 328, and the maximum hardness was 335.
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Key words:
- TC4 titanium alloy /
- amorphous brazing alloy /
- microstructure /
- mechanical property
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TC4钛合金具有强度高、耐蚀性好、高温性能优异等优良特点，被广泛应用于航空航天等领域，作为重要结构件[1]. 钛很容易受到氢、氧和氮的污染，加工过程需要真空或气体保护，导致加工周期较长，设备投资变高. 与此同时，钛合金的加工性也很差，切割效率很低，钛合金加工效率只有15%，工具寿命短，限制了钛合金的广泛应用，因此实现钛合金的精密连接可以使钛合金在航空航天领域有更广的应用[2].
目前实现精密连接钛合金的有效方法是钎焊. 近些年来许多学者对钛合金的钎焊进行了广泛研究，通过使用多种不同钎料实现了钛合金之间的连接[3]. 但是采取普通的钎料钎焊钛合金存在一些问题，如焊接时接头温度较低、难以满足接头强度需求以及会在接头中产生金属间化合物等[4].
以Ag基与Ti（Zr）基为基础的钎料被广泛地用于钎焊钛合金[5-7]. 与Ag基钎料相比，Ti（Zr）基钎料的钎焊接头具有更优异的耐蚀性和耐高温性能[8]. 随着快速冷却技术的飞速发展，Ti（Zr）基钎料可以制备成非晶箔，可以提升钎焊工艺的灵活性. 与传统钎料相比，非晶态钎料具有均匀性好、厚度小、钎焊温度低、熔化后流动性好等优点. 因此可以在共晶反应的基础上，选择Ti、Zr、Ni和Cu为主要添加成分，制备低熔点Ti (Zr) 基钎料. 除此之外，还可以选择向Ti（Zr）基钎料中添加Co、Nb、Mo、V等金属元素，在钎料中加入这些元素可以降低钎料熔化温度，抑制有害元素在钎焊过程中扩散并减少焊缝中金属间脆性相的生成.
为实现钛合金精密结构件的钎焊，得到结合优良的钎焊接头，本文选择采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料钎焊TC4钛合金，研究不同工艺参数对钎焊接头的组织和力学性能的影响，分析不同工艺参数下接头的显微组织以及剪切性能，以得到最优良的钎焊工艺参数.
1. 试验方法及设备
试验材料为3D打印的圆柱形TC4 (Ti-6Al-4V)，采用线切割将试样分割成半径为8 mm，厚度为2 mm的圆柱体. TC4钛合金的元素含量（质量分数，全文同）见表1. 钎料为Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料，具体元素含量见表2.
表 1 TC4钛合金元素含量Table 1. Elemental composition of TC4 titanium alloy% 试样 Al V Ti Fe Si C N H O 其他 TC4钛合金 5.50～6.80 3.50～4.50 余量 ≤0.30 ≤0.15 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.01 ≤0.20 <0.50 表 2 Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料元素含量Table 2. Elemental composition of Ti-Zr-Cu-Ni amorphous brazing material% 试样 Ti Zr Cu Ni 杂质 Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料 36.5 33.0 16.2 13.3 < 1.0 钎焊前，首先用砂纸打磨TC4钛合金表面，再使用超声波清洗试样15 min. 然后将两母材装配成搭接接头，用夹具加紧. 钎焊试验在KJL-1型多功能科教真空钎焊炉中进行，钎焊炉真空度为5×10−3 Pa，钎焊温度为930 ℃，保温时间分别为20、40和60 min，试验采用随炉冷却的方式. 焊接完成后采用线切割将试样切开，镶嵌，制作金相试样. 采用日本基恩士公司制作的VHX-600K型超景深光学显微镜（OM）进行接头组织分析. 再使用日本日立公司生产的S-4300N型扫描电子显微镜（SEM）进行接头微观组织分析，并用扫描电镜自带的能谱仪（EDS）对接头进行能谱分析. 最后采用上海泰明光学仪器有限公司生产的HXD-1000型维氏显微硬度计对接头进行维氏硬度（HV）测试.
2. 结果与讨论
2.1 接头宏观组织分析
不同保温时间下钎焊接头的宏观组织形貌如图1所示. 从图中可以看出母材与焊缝之间有着明显的界限，且随着保温时间的延长，焊缝宽度增加，同时焊缝中晶粒逐渐粗大，且焊缝和母材之间的连接界面变得越来越模糊. 焊缝主要由黑白相间的层片状组织组成，白色的层片状组织从钎焊界面开始，沿垂直界面的方向生长，呈细长针状，而焊缝中心组织比较短粗，方向不一，黑色组织均匀分布其周围.
2.2 接头微观组织分析
保温时间为20 min的钎焊接头的显微组织形貌如图2所示. 从图中可以看出钎料和TC4之间界面结合良好，连接界面明显，说明界面与母材之间互扩散较少. 在平衡条件下，钎缝中形成α-Ti和β-Ti两相组织，α-Ti相在β-Ti晶界上形核，然后以层片状长大进入β-Ti晶粒内. 焊缝边界形成细小的等轴组织.
对图2中标注的两个点进行EDS测试，结果见表3. 从表3可以看到两处组织都含有Ti、Al、V、Zr、Cu、Ni等元素，但元素具体含量不等，说明两处组织成分不同. 点1处的成分主要含有Ti、Al两种元素，含量分别达到83.06%和10.08%. 由于在α-Ti相稳定元素中，Al是最重要的合金元素，因此点1处形成的是α-Ti相；点2处含有较多的Ti、V、Ni等元素，V、Ni对β-Ti相的稳定有非常重要的作用，也会形成金属化合物，因此点2处形成的为β-Ti相.
表 3 保温时间20 min时接头EDS测试结果Table 3. EDS test results of joints with holding time of 20 min% 项目 Al Cu Ti Zr V Ni 点1 10.08 1.07 83.06 3.13 2.08 0.59 点2 6.27 3.99 76.06 7.32 3.26 3.10 保温20 min钎焊接头焊缝中心组织面SEM图如图3所示.
从图中可以看到β-Ti与α-Ti相相伴而生，根据各元素Kα图看到β-Ti相中含有较多Cu、Zr、Ni，α-Ti相中含有较多的Ti、Al，这与表3中点1和2点完全一致.
保温40 min时，钎焊接头的微观组织形貌如图4所示. 接头成型良好，焊缝宽度相对于保温20 min时变宽，这是因为保温时间延长，钎料与母材反应更充分，焊缝晶粒更加粗大，钎缝也是有层片状的白色和黑色组织组成，焊缝靠近母材处形成等轴状的组织.
图4中2个点的EDS测试结果见表4. 通过表4可知，点3处主要含有Ti、Al两种元素，所以此处形成的应该是α-Ti相；点4处含有大量的Cu、Zr、V、Ni等元素，这些元素都对β-Ti相的稳定起到重要作用，此处形成的为β-Ti相. 另外，保温40 min与保温20 min对比，都生成了α-Ti相和β-Ti相的两相组织，但从成分上可知，保温40 min时，α-Ti相中Cu、Zr、V、Ni含量都大大降低，这将大大提高α-Ti相的稳定性，同样这些元素在β-Ti相中增加，也提高了β-Ti的稳定性. 保温40 min，焊缝中心组织的SEM图如图5所示. 从图中可以看出，中心组织中主要是β-Ti相，含有少量的黑色α-Ti相，这也是接头中白色层片组织更细的原因.
保温时间为60 min的接头显微组织形貌如图6所示. 从图中可以看到，焊缝整体与母材分界明显，钎焊接头主要是由黑色α-Ti相和白色β-Ti相组成，白色β-Ti相在焊缝中心主要以层片状分布，在靠近母材处则以粗大的块状分布，这主要是因为保温时间长，边界处发生长时间的等温凝固所致.
表 4 保温时间40 min时接头EDS测试结果Table 4. EDS test results of joints with holding time of 40 min% 项目 Al Cu Ti Zr V Ni 点3 9.90 0.69 85.24 2.75 1.42 — 点 4 5.83 4.82 74.90 7.43 4.45 2.47 图6中2个点的EDS测试结果见表5. 分析表中数据可知，点5处主要含有Ti、Al等元素，点6处含有大量的Cu、Ni、V等元素. 这些元素都对β-Ti相的稳定起到重要作用，所以此处形成β-Ti相. 与保温时间20 min和40 min对比，3种条件下都生成α-Ti相和β-Ti相两相组织，但从成分上可知，保温60 min时，α-Ti相中Cu、Zr、V、Ni含量都大大降低，这将大大提高α-Ti相的稳定性，同样这些元素在β-Ti相中增加，提高了β-Ti的稳定性. 由此分析得出点5处和点6处分别形成α-Ti相和β-Ti相.
保温60 min钎焊中心部位的SEM图如图7所示. 从图中可见，白色组织几乎都为β-Ti相，几乎不含有黑色的α-Ti相. 根据不同元素的Kα线强度可知，Cu、Ni、V等元素在β-Ti相中含量很高，Ti、Al元素主要集中在α-Ti相，这些元素对α-Ti相和β-Ti相起到很大的作用.
表 5 保温时间60 min时接头EDS测试结果Table 5. EDS test results of joints with holding time of 60 min% 项目 Al Cu Ti Zr V Ni 点 5 9.84 — 86.62 3.54 — — 点 6 7.14 6.71 67.27 5.00 5.48 8.40 2.3 接头机械性能分析
2.3.1 接头显微硬度
不同保温时间下钎焊焊接接头的显微硬度曲线如图8所示. 从图中可以看出母材的平均硬度为298. 保温时间为20 min的接头平均硬度为308，最大硬度为336. 保温时间为40 min 的接头平均硬度为328，最大硬度为335. 相较于保温时间为20 min的钎焊接头平均显微硬度更高，这是由于随着保温时间的增加，钎料和母材发生的反应更充分，促进了原子的扩散，接头结合越良好. 保温时间为60 min的接头平均硬度为318，最大硬度为356. 相较于保温时间40 min的钎焊接头显微硬度有所下降，因为随着保温时间的加长，更有利于钎焊接头中的原子扩散，但是保温时间过长也会带来晶粒粗大的问题. 从图5和图6中可以看出，随着保温时间由40 min增长到60 min，钎焊接头的宽度变大，同时接头中组织变得粗大，这导致保温时间为60 min的钎焊接头显微硬度下降. 当保温时间为60 min时，V、Ni、Zr和Cu元素进一步扩散，并更集中地分布于β-Ti相中，Al元素更集中地分布于α-Ti相中. 这使得α-Ti相的含量增加，在钎焊过程中残余应力释放较差，从而降低了接头的显微硬度.
图 8 不同保温时间下接头显微硬度曲线Figure 8. Micro-hardness curves of joints under different holding time2.3.2 接头剪切强度
不同保温时间下的钎焊接头剪切强度如图9所示. 从图9可以看出随着保温时间的增加，钎焊接头的剪切强度先增加后减小. 保温时间为20 min时，钎焊接头的剪切强度为315 MPa，焊缝组织大小不均匀，为针状魏氏体组织；保温时间为40 min时，钎焊接头的剪切强度为337 MPa，焊缝宽度有所变宽，焊缝中组织变得均匀，这是由于随着保温时间的增加，钎料与母材之间的扩散现象更加充分，组织变得更均匀，有利于钎焊接头剪切性能的提升. 当保温时间增加到60 min时，钎焊接头的剪切强度有所下降，为328 MPa. 虽然保温时间进一步加长更有利于钎料和母材之间的扩散，但是从图4和图5中可以看出随着保温时间的增加焊缝的宽度略有增加，焊缝组织相较于保温时间为40 min时变得粗大. 这就导致了保温时间为60 min的钎焊接头剪切强度低于保温时间为40 min的钎焊接头.
3. 结 语
本文采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料对TC4进行真空钎焊，研究不同工艺参数下的接头组织以及显微硬度，得出以下结论：
1）采用Ti-Zr-Cu-Ni钎料钎焊TC4，接头主要组织为α-Ti相和β-Ti相，且α-Ti相固溶有Al元素，β-Ti相含有大量的V，Zr，Cu，Ni等合金元素；
2）随着保温时间的增加，钎料与母材之间的扩散效应变得明显，焊缝层逐渐增厚，焊缝组织逐渐粗大；
3）接头中焊缝处的显微硬度均高于母材，当保温时间为40 min时，焊缝显微硬度最大，平均硬度为328，最大显微硬度为335. 接头剪切强度随着保温时间的变化先增加后减小，当钎焊温度为930 ℃，保温时间为40 min时，接头剪切强度337 MPa.
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图 8 不同保温时间下接头显微硬度曲线
Figure 8. Micro-hardness curves of joints under different holding time
表 1 TC4钛合金元素含量
Table 1. Elemental composition of TC4 titanium alloy
% 试样 Al V Ti Fe Si C N H O 其他 TC4钛合金 5.50～6.80 3.50～4.50 余量 ≤0.30 ≤0.15 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.01 ≤0.20 <0.50 
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表 2 Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料元素含量
Table 2. Elemental composition of Ti-Zr-Cu-Ni amorphous brazing material
% 试样 Ti Zr Cu Ni 杂质 Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料 36.5 33.0 16.2 13.3 < 1.0
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表 3 保温时间20 min时接头EDS测试结果
Table 3. EDS test results of joints with holding time of 20 min
% 项目 Al Cu Ti Zr V Ni 点1 10.08 1.07 83.06 3.13 2.08 0.59 点2 6.27 3.99 76.06 7.32 3.26 3.10
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表 4 保温时间40 min时接头EDS测试结果
Table 4. EDS test results of joints with holding time of 40 min
% 项目 Al Cu Ti Zr V Ni 点3 9.90 0.69 85.24 2.75 1.42 — 点 4 5.83 4.82 74.90 7.43 4.45 2.47
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表 5 保温时间60 min时接头EDS测试结果
Table 5. EDS test results of joints with holding time of 60 min
% 项目 Al Cu Ti Zr V Ni 点 5 9.84 — 86.62 3.54 — — 点 6 7.14 6.71 67.27 5.00 5.48 8.40
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[1] 原国森, 兖利鹏, 韩艳艳. 钛合金的应用进展[J] . 热加工工艺,2019,46(4):13 − 16. [2] 刘捷, 尚青亮, 张炜, 等. 氢化钛粉制备钛及钛合金材料研究进展[J] . 材料导报,2013,27(13):99 − 102. doi: 10.3969/j.issn.1005-023X.2013.13.021 [3] SONG X G, CAO J, CHEN H Y, et al. Contact reactive brazing of Ti53311S alloy using Cu foil as interlayer: Interfacial microstructure and joining properties[J] . Materials and Design,2013,46:895 − 901. doi: 10.1016/j.matdes.2012.11.044 [4] 余春, 吴铭方, 于治水, 等. Ti/Cu/Ti接触反应钎焊微观组织分析[J] . 华东船舶工业学院学报(自然科学版),2004,18(2):56 − 60. [5] TASHI R S, MOUSAVI S A A A, ATABAKI M M. Diffusion brazing of Ti-6Al-4V and austenitic stainless steel using silver-based interlayer[J] . Materials and Design,2014,54:161 − 167. doi: 10.1016/j.matdes.2013.07.103 [6] SHIUE R K, CHEN C P, WU S K. Infrared brazing of Ti50Ni50 shape memory alloy and 316L stainless steel with two sliver-based fillers[J] . Metallurgical and Materials Transactions A,2015,46:2364 − 2371. doi: 10.1007/s11661-015-2830-7 [7] JUNG G L, MIN-KU L. Microstructure and mechanical behavior of a titanium-to-stainless steel dissimilar joint brazed with Ag-Cu alloy filler and an ag interlayer[J] . Materials Characterization,2017,129:98 − 103. doi: 10.1016/j.matchar.2017.04.032 [8] JING Y J, YUE X S, GAO X Q, et al. The influence of Zr content on the performance of TiZrCuNi brazing filler[J] . Materials Science and Engineering A,2016,678:190 − 196. doi: 10.1016/j.msea.2016.09.115 期刊类型引用(0)
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