Ti65鈦合金板擴(kuò)散連接界面孔洞愈合機(jī)制及力學(xué)性能響應(yīng)：表面/體積/晶界擴(kuò)散協(xié)同作用對焊合率的提升及α相晶粒長大對抗拉強(qiáng)度的影響

引言

鈦合金由于比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域。高溫鈦合金由于長期在高溫環(huán)境下仍能保持較高的力學(xué)性能、蠕變抗力和抗氧化能力，常用來生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)燃燒室附近的壓氣機(jī)部件，在航空航天領(lǐng)域中占據(jù)重要地位 [1-4]。

Ti65合金是在 Ti60 合金基礎(chǔ)上研制的一種名義成分為 Ti-5.9Al-4.0Sn-3.5Zr-0.3Mo-0.4Si-0.3Nb-2.0Ta-1.0W-0.05C 的 10 組元近 α 型高溫鈦合金，設(shè)計使用溫度為 600~650℃。Ti65 合金密度為4.59g/cm³，相變點為 1040±10℃[5]。相比于 Ti60，Ti65 合金新加入了 W 元素，提高了 Ta 含量，減少了 Mo 和 Nb 含量，有效改善了高溫抗蠕變性能，同時仍保持較好的強(qiáng)度 - 塑性、蠕變 - 持久 - 熱穩(wěn)定性匹配。

擴(kuò)散連接技術(shù)是指同種或異種金屬、非金屬材料，在高溫、高壓、真空或保護(hù)氣體環(huán)境下，連接表面發(fā)生原子擴(kuò)散的一種可靠連接技術(shù) [6-7]。相比于傳統(tǒng)焊接方式，擴(kuò)散連接技術(shù)有效避免了由于金屬液熔化而導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，成形零件具有無宏觀變形、連接部位缺陷少、無殘余應(yīng)力等優(yōu)點 [8]。隨著航空航天領(lǐng)域輕量化的發(fā)展，鈦合金擴(kuò)散連接技術(shù)得到了充分發(fā)展。以 TC4 合金為例，Lee 等 [9] 研究了 Ti-6Al-4V 在連接溫度范圍為 850~950℃、壓力為 3.0MPa、時間為 60~180min 時的擴(kuò)散連接工藝，并對 TC4 的高溫氧化行為進(jìn)行了研究；Tang 等 [10] 通過對比 850~950℃相變超塑性擴(kuò)散連接與 950℃恒溫超塑性擴(kuò)散連接接頭組織和性能發(fā)現(xiàn)：相變可提高原子擴(kuò)散速率，改善連接接頭性能，抗剪強(qiáng)度更高，最高可達(dá) 612MPa；Gao 等 [11] 研究了溫度、時間對 TC4 空心結(jié)構(gòu)擴(kuò)散連接接頭性能影響；Cai 等 [12] 通過 MARC 對 TC4 合金三層板超塑成形和擴(kuò)散結(jié)合過程進(jìn)行模擬，與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，成形制件界面厚度最大誤差不超過 12.5%。目前，國內(nèi)外對于Ti65板材擴(kuò)散連接的研究較少，不明確最佳的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)，本文通過對Ti65合金板材在不同溫度、壓力下的擴(kuò)散連接試驗，研究了工藝參數(shù)對Ti65鈦合金板材擴(kuò)散連接焊合率和結(jié)合強(qiáng)度的影響，為Ti65合金在擴(kuò)散連接工程應(yīng)用中提供依據(jù)。

1、試驗材料與方法

本試驗采用的材料為Ti65合金板材，厚度為 2mm。原始Ti65鈦合金板材沿 RD 方向的室溫單向拉伸工程應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線如圖 1 所示，屈服強(qiáng)度達(dá)到了 1173.1MPa，抗拉強(qiáng)度為 1208.9MPa，延伸率為 5.3%。

為通過剪切變形測試界面結(jié)合強(qiáng)度，設(shè)計了如圖 2 (a) 所示的試片，長度 100mm，寬度 40mm，留有 1mm×20mm 縫隙（長度方向為 RD 方向，寬度方向為 TD 方向）。對線切割加工后的試片進(jìn)行拋光、除油和酸洗處理，去除表面雜質(zhì)等影響擴(kuò)散連接效果的因素，如圖 2 (b) 所示。

為研究試驗溫度和壓力對擴(kuò)散連接過程的影響，利用真空熱壓爐進(jìn)行擴(kuò)散連接試驗，將待連接的兩塊金屬板置于兩塊石墨厚板間，金屬板上下重疊放置，其中一塊板以 TD 方向為軸旋轉(zhuǎn) 180°，使得兩塊板上的縫錯開，形成中間 2mm 寬的搭接區(qū)域，上下平臺通過石墨板對板材施壓，如圖 3 所示。擴(kuò)散試驗條件為 920℃/2MPa、940℃/2MPa、940℃/1MPa、940℃/4MPa 和 960℃/2MPa，真空度為5×10^-3Pa，保溫保壓時間為 2h，擴(kuò)散連接試驗后樣品如圖 2 (c) 所示。

對擴(kuò)散連接試驗后的試樣線切割取樣，剪切試樣尺寸為 80mm×10mm，搭接區(qū)域面積為20mm²；拉伸試樣標(biāo)距為 24mm×6mm×2mm，取樣方式如圖 2 (d) 所示。采用蔡司顯微鏡觀察金相組織，表征焊合效果；采用 MTS 電子萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行剪切、拉伸性能測試。

2、試驗結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散連接工藝參數(shù)對焊合率的影響

焊合率是判斷擴(kuò)散連接界面結(jié)合好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，焊合率越高，界面結(jié)合情況越好，焊合率的計算公式 [13] 如下：

式中：L為焊合率；L0為焊接剖面焊縫長度；L1為未焊合區(qū)域焊縫長度。

2.1.1 壓力對焊合率的影響

當(dāng)壓力為 1MPa 時，界面結(jié)合處孔洞呈現(xiàn)不連續(xù)條狀，焊縫區(qū)域的金相組織如圖 4 (a) 所示，未焊接區(qū)域較多，焊合率僅為 69%；圖 4 (b) 所示為 940℃下壓力為 2MPa、保溫 2h 的界面結(jié)合形貌，結(jié)合區(qū)域已轉(zhuǎn)化為晶界，但仍存在少量未結(jié)合界面，孔洞高度減小，焊合率為 82%；相同溫度和保溫時間下，當(dāng)壓力增加至 4MPa 時，焊合率提高至 88%，孔洞數(shù)量、尺寸和長寬比均減少，焊縫區(qū)域的金相組織如圖 4 (c) 所示，仍能觀察到少許未焊合區(qū)。這說明壓力是影響擴(kuò)散連接的重要參數(shù)之一，隨著壓力的提高，焊合率增加，焊接效果提升，但焊合率增加的速率減緩，逐漸接近 100%，如圖 4 (d) 所示。

2.1.2 溫度對焊合率的影響

圖 5 (a) 所示，當(dāng)連接溫度為 920℃時，結(jié)合區(qū)域可觀察到明顯且連續(xù)的大尺寸孔洞，只有少部分區(qū)域完全接觸，焊合效果較差，焊合率僅為 59%；960℃擴(kuò)散焊接的金相組織如圖 5 (b) 所示，未焊合區(qū)域基本消失，焊合率達(dá) 99%；焊合率隨溫度的提高而增加，如圖 5 (c) 所示。

2.2 擴(kuò)散連接工藝參數(shù)對 RD 方向力學(xué)性能的影響

擴(kuò)散連接過程中，板材在高溫環(huán)境中保溫 2h 左右，微觀組織將發(fā)生改變（如晶粒長大、相變等），進(jìn)而對力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

2.2.1 壓力對 RD 方向抗拉強(qiáng)度的影響

圖 6 (a) 所示為 940℃下不同壓力參數(shù)下Ti65板材擴(kuò)散連接后的 RD 方向力學(xué)性能：當(dāng)壓力為 1MPa、2MPa 和 4MPa 時，抗拉強(qiáng)度分別為 984MPa、974MPa 和 959MPa。經(jīng)過 940℃保溫 2h 后，Ti65 板材的室溫抗拉強(qiáng)度較原始板材（1208.9MPa）分別降低 18.6%、19.4% 和 20.7%，且隨著壓力的提高，降幅略有增加。

2.2.2 溫度對 RD 方向抗拉強(qiáng)度的影響

在壓力為 2MPa 時，材料經(jīng) 920℃、940℃和 960℃保溫 2h 后，RD 方向室溫抗拉強(qiáng)度分別為 981MPa、974MPa 和 970MPa，如圖 6 (b) 所示。可見，隨著擴(kuò)散連接溫度的提高，Ti65 板材 RD 方向的室溫抗拉強(qiáng)度逐漸降低，較原始板材分別降低 18.9%、19.4%、19.8%。

抗拉強(qiáng)度從原始材料的 1208.9MPa 下降至 970MPa 左右，主要原因是高溫保溫后Ti65板材的組織變化：α 相晶粒尺寸隨加熱溫度提高而增大，由 920℃的 8μm 增加到 960℃的 12μm，同時原始板材軋制過程中積累的大量位錯，在高溫?zé)崽幚頃r發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，位錯密度大大降低 [17]。

2.3 擴(kuò)散連接工藝參數(shù)對剪切強(qiáng)度的影響

2.3.1 壓力對剪切強(qiáng)度的影響

不同壓力條件下，擴(kuò)散連接件的焊縫室溫剪切強(qiáng)度如圖 7 (a) 所示：940℃下，壓力為 1MPa 時，剪切強(qiáng)度為 226.8MPa；當(dāng)壓力增加至 2MPa 時，剪切強(qiáng)度大幅提高至 335.3MPa；壓力進(jìn)一步增加（4MPa）時，剪切強(qiáng)度幾乎不發(fā)生改變（335.5MPa），達(dá)到飽和狀態(tài)。

2.3.2 溫度對剪切強(qiáng)度的影響

當(dāng)擴(kuò)散連接壓力為 2MPa 時，隨著擴(kuò)散溫度的提高，室溫剪切強(qiáng)度逐漸增加，如圖 7 (b) 所示：920℃擴(kuò)散連接后，由于存在較多未結(jié)合區(qū)域，焊接質(zhì)量較差，室溫剪切強(qiáng)度僅為 157.5MPa；960℃擴(kuò)散連接后，室溫剪切強(qiáng)度提升至 349MPa。

室溫下Ti65擴(kuò)散連接焊縫的剪切強(qiáng)度主要取決于焊合率和 α 相晶粒尺寸：隨著壓力增加、溫度提高，焊合率增加（增大焊縫承載剪切的有效面積，提高抗剪能力），但 α 相晶粒尺寸增大（降低材料本身強(qiáng)度），最終焊合率的影響占比更大，使得剪切強(qiáng)度整體呈上升趨勢。

2.4 擴(kuò)散連接機(jī)制討論

擴(kuò)散連接過程分為 3 個階段 [6]：1）物理接觸階段；2）擴(kuò)散、界面推移階段；3）界面和孔洞消失階段。由于待焊接試件表面存在粗糙度，擴(kuò)散連接初期，焊接表面無法完全接觸，形成孔洞 [15]；施加壓力后，接觸區(qū)域承受的壓力大于Ti65合金的塑性變形抗力，發(fā)生塑性變形，接觸面積擴(kuò)大；隨著連接進(jìn)行，接觸區(qū)域原子高度激活，相互擴(kuò)散并形成金屬鍵，大部分孔洞消失，界面發(fā)生推移；繼續(xù)擴(kuò)散后，界面孔洞通過體積擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散等機(jī)制愈合（圖 8），未結(jié)合區(qū)域減少，結(jié)合區(qū)域組織趨于均勻。

溫度對擴(kuò)散連接的影響主要體現(xiàn)在：提高材料塑性變形能力和原子擴(kuò)散系數(shù)，加速孔洞愈合；同時加速晶粒長大和母材軟化。壓力的影響包括：促進(jìn)初期突出區(qū)域塑性變形、加速界面原子激活與孔洞愈合、破壞表面氧化物以利于原子擴(kuò)散、防止擴(kuò)散孔洞產(chǎn)生 [14]。

3、結(jié)論

Ti65板材擴(kuò)散連接的焊合率隨擴(kuò)散連接溫度和壓力增大而增加：當(dāng)工藝參數(shù)為 960℃、2MPa、保溫 2h 時，焊合率達(dá)到 99%，未焊合區(qū)域基本消失。

高溫保溫后，Ti65 板材 RD 方向室溫抗拉強(qiáng)度明顯降低，主要因 α 相晶粒尺寸增加（920℃時 8μm→960℃時 12μm）和回復(fù)再結(jié)晶（位錯密度降低），且隨連接壓力和溫度提高，室溫抗拉強(qiáng)度逐漸下降（較原始板材降幅 18.6%~19.8%）。

隨連接壓力和溫度提高，Ti65 擴(kuò)散連接件的室溫剪切強(qiáng)度逐漸增加且增幅降低：960℃、2MPa、保溫 2h 時，剪切強(qiáng)度達(dá)到 349MPa，焊合率提升對剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于晶粒長大的負(fù)面影響。

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（注，原文標(biāo)題：工藝參數(shù)對高溫鈦合金Ti65擴(kuò)散連接性能的影響）