摘要： 采用Ag-Cu-Ti釬料對TC4鈦合金進行真空釬焊；采用金相分析、掃描電鏡對釬縫的組織結構、元素分布情況進行分析，并對焊件的整體力學性能進行拉伸測試。結果表明，TC4合金板真空釬焊搭接接頭處抗剪強度在200MPa以上，釬焊接頭處總體的力學性能優于母材；釬縫與基體相臨的部位析出了彌散相，釬縫處有Cu的固溶體析出；焊接接頭中的主要元素Ti、Al、V、Ag、Cu呈規律性分布，釬縫及擴散區域得到以細小筍狀的方式生長的Cu基固溶體，是為Ag-Cu共晶組織。

　　Abstract： Vacuum brazing of TC4 was carried out with Ag-Cu -Ti filler metal. Organizational structure， element distribution of brazed joints were investigated by means of scanning electron microscopy and metallographic microscope， and the joint whole mechanical property was determined by tensile testing method. The results show that shear strength for the brazing joint of TC4 titanium alloy is above 200MPa and whole mechanical property of the brazing joint are better than base metal. Dispersed network phase form between base metal and brazing seam， and Cu-based solid solution separate out in the brazing seam. Ti， Al， V， Ag and Cu of the brazing joint were regular distribution. Ag-Cu eutectic structure of brazing seam and diffuse region were grown by slender and small bamboo shoots mode.

　　關鍵詞： Ag-Cu-Ti；真空釬焊；顯微組織

　　0 引言

　　TC4合金中鈦的含量很高，鈦是活性很強的金屬材料，在高溫下容易與N2、H2、O2反應，并同其它許多金屬反應生成脆性金屬間化合物，在600℃氧與鈦發生強烈反應，800℃氧化膜開始向鈦中溶解擴散，氮與鈦在高溫下則形成脆硬的氮化鈦，對鈦的塑性影響較大，氫的存在則由于γ（TiH2）相析出，也同樣使其塑性、韌性降低[1]。采用真空釬焊選擇合適的釬料，可以避免高溫情況下，氧、氮、氫各種氣體元素對TC4合金釬縫性能的影響，從而提高接頭的力學性能[1]。在鈦及鈦合金的焊接中，釬焊適于焊接受載不大或在常溫下工作的接頭，對于精密的、微型復雜的及多釬縫的焊件尤其適用[2]。在一些鈦合金復雜結構、薄壁精密結構的制造工藝中，由于釬焊連接具有獨特的優勢而愈來愈受到重視，對鈦合金用釬料的研究也逐漸成為釬焊領域研究的熱點之一[3]。由此，了解TC4鈦合金真空釬焊接頭微觀組織結構及元素分布情況是十分必要的。

　　1.1 試驗材料 試驗母材采用厚度為1mm的TC4鈦合學成分見表1。

　　要得到組織和性能滿意的釬焊接頭，釬料必須能較好地潤濕母材并能填滿接頭間隙。此外，釬料的焊接溫度必須低于TC4的相變溫度，否則將引起母材β晶粒長大，從而影響材料的性能。試驗用釬料采用 Ag基Ag-Cu系釬料Ag-Cu-Ti，其熔化溫度為779～820℃。

　　1.2 試驗方法 目前的釬焊技術和釬料所形成的焊件的性能與其原始基體金屬的性能水平相差不多。鈦合金的本質決定了其釬焊的主要溫度和時間局限性。總的來說，使用焊料并在釬焊溫度低于β相轉變溫度時可獲得優良機械性能的鈦釬焊部件。

　　接頭形式：本試驗所用的材料為1mm的TC4板材；搭接接頭。接頭形式見圖1。薄件為裝配方便，搭邊長度L=（4～5）δ；δ——待焊工件厚度[4]。由此得L=4δ=4mm。

　　接頭的裝配間隙大小是影響釬焊焊縫致密性和接頭強度的關鍵因素之一。熔態釬料在釬縫中作直線流動，釬縫的毛細能力起很大作用，毛細能力又與釬縫的類型和釬縫間隙的大小有關系。一般說來，釬縫間隙小比間隙大的釬縫的直線流動性更好，但也不是越小越好，釬縫間隙的最佳值在0.01～0.2mm之間，具體數值視母材的種類而定[5]。在不影響釬料填充的前提下，釬焊間隙越小越好[6]。此次試驗銀基釬料，鈦合金焊接裝配間隙取為0.05mm。

　　在釬焊溫度下，一方面要使釬料熔化，在毛細管作用下填滿接頭間隙，并與基體金屬進行合金化作用；另一方面使基體材料完成熱處理程序中的某一步驟（固溶或淬火）[6]。真空釬焊設備為“真空擴散焊機-6”；其最高加熱溫度為1650℃，壓力為15ton，真空度為1×10-5torr，釬焊工藝參數如表2。

　　焊接完成后，對釬焊試樣進行拉伸試驗；并對接頭進行顯微金相分析，同時用掃描電鏡對釬焊界面的元素分布及組織結構進行分析。

　　2 試驗結果及分析

　　2.1 拉伸試驗分析 在“CMT53.5微機控制電子萬能試驗機”上拉伸實驗，四組釬接試樣均從搭接接頭（焊縫）邊緣并靠近接頭處斷裂，如圖2，這說明焊接接頭處所能承受的最大拉力大于母材，按照此拉力核算，搭接接頭處抗剪強度應在200MPa以上，由此可知，釬焊焊件的接頭處總體的力學性能要優于母材，焊件總的力學性能較好，焊接情況優良。 　　2.2 金相分析 對釬焊試件外觀檢查發現其變形很小，裝配較好，焊接情況良好。釬焊接頭的金相試樣經Kroll 侵蝕劑（2mlHF+5mlHNO3+93mlH2O）進行侵蝕后，用XJP-2B型臺式金相顯微鏡對釬焊接頭進行金相觀察，圖3為釬焊焊縫100倍照片，從照片中可以看出，焊縫較均勻，沒有出現污染變質等不良現象。

　　釬焊比較適合對鈦合金進行焊接，就是由于釬料易于與鈦合金基體合金化，但是這種合金化容易使焊縫變的硬而脆，使材料塑性和強度降低。但是由圖4不難看出，基體為細小α+β雙相等軸晶體，釬焊縫中心淺灰色的為共晶的釬料組織，釬焊縫兩側是釬料向母材擴散形成的擴散層，在與基體相臨的部位由于析出了彌散相，故易受腐蝕而呈深色。

　　從圖中可以看出在釬焊焊縫處的釬料均以筍狀的方式生長，較細小，這是由于有細小針狀Cu的固溶體析出；在焊縫中間處可能出現了Ag-Cu共晶；但沒有發現明顯的金屬化合物，從而沒有因為出現金屬化合物而使接頭處的塑性、韌性降低。

　　2.3 掃描電鏡分析 為了進一步對真空釬焊接頭處的組織結構及元素分布情況進行研究，對真空釬焊接頭用“CamScan MX2600FE型熱場發射掃描電子顯微鏡”進行掃描，并對部分區域及點進行能譜分析。由圖5可知元素分布具有較強的規律，母材和釬縫之間元素進行了擴散；如圖6，筍狀區域即為釬料生長擴散區域；但由于焊接保溫時間較短（僅10min），釬料和母材之間的元素擴散不完全；結合圖5和圖6可以看出，在釬縫及釬料筍狀生長擴散區域處Ag、Cu的譜線均成鋸齒狀，且Ag的峰值對應Cu的低谷，由此可知此區域形成了典型的Ag-Cu共晶組織，其灰黑色組織為Cu基固溶體，白色相為Ag基固溶體。圖7是在釬料生長擴散區域內的筍狀釬料上所打的能譜，由（b）可以看出，Cu的衍射強度較高，在此區域中Cu形成的固溶體成細小的筍狀，因為在這些元素中Ag的原子序數最高，所以這個區域中可能有Cu基固溶體中析出的富Ag相，這需經過多次實驗才能驗證。

　　3 結論

　　①TC4合金板真空釬焊接頭處所能承受的最大拉力大于基體，搭接接頭處抗剪強度在200MPa以上，焊件接頭處總體的力學性能優于母材，焊件總的力學性能較好。

　　②釬縫與基體相臨的部位析出了彌散相，易受腐蝕；在釬焊焊縫處有Cu的固溶體析出，均以筍狀的方式生長并較細小，但沒有發現明顯的金屬化合物。

　　③焊接接頭中的主要元素Ti、Al、V、Ag、Cu呈規律性分布，釬縫及擴散區域得到Ag基固溶體及以細小筍狀的方式生長的Cu基固溶體，是為Ag-Cu共晶組織。

　　④釬料生長擴散區域內的筍狀釬料上的Cu基固溶體中可能析出富Ag相，這需后續多次實驗才能驗證。

　　參考文獻：

　　[1]馬天軍，康慧，曲平等.TC4合金真空釬焊的發展[J].焊接技術，2004，33（5）：4-6.

　　[2]戚運蓮，洪權，劉向等.鈦及鈦合金的焊接技術[J].鈦工業進展，2004，21（6）：25-29.

　　[3]吳欣，康慧，朱穎等.TC4鈦合金真空釬焊的研究[J].航空制造技術，2004（9）：67-69.

　　[4]趙越等編著.釬焊技術及應用[M].北京：化學工業出版社，2004，6.

　　[5]張啟運，莊鴻壽主編.釬焊手冊[M].北京：機械工業出版社，1998，11.

　　[6]屠恒悅.真空釬焊技術的應用[J].金屬熱處理，1998（5）：21-23.