TiZrNiCu钎料在TA...C4异质界面的反应润湿过程_高德君.pdf

TiZrNiCu 钎料在 TA1/TC4 异质界面的反应润湿过程高德君1，武绍旺2，杨生旭2，张承浩1，刘永旭1，司晓庆1，曹健1(1.哈尔滨工业大学,先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨,150001；2.西安航天发动机有限公司,西安,710100)摘要：试验采用 Ti51ZrNiCu 钎料，研究其在 TA1/TC4 异质界面的反应润湿过程，使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)及润湿角测量仪等分析方法研究了不同表面的润湿界面组织结构，并总结了试验参数对组织结构和润湿能力的影响规律.而后进行了填缝试验，用于衡量 Ti51ZrNiCu 钎料在 TA1/TC4 异质界面的润湿铺展能力，总结了钎料填充经验公式.结果表明，在试验参数为 935/3 min 的条件下，TiZrNiCu 钎料对 TA1 和 TC4 母材填充能力可简化为经验公式：h=4 000/a，其中钎缝间隙 a 的单位为 m，爬升高度 h 单位为 mm.创新点：(1)设计了 Ti51ZrNiCu 钎料在 TA1/TC4 异质界面钎料填缝试验.(2)总结了用于评估钎料填充能力的经验公式.关键词：TC4 合金；TA1 合金；TiZrNiCu 钎料；润湿；填缝试验中图分类号：TG454文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202207260010序言自从钛金属商业化以来,钛及钛合金就因其优异的性能而备受关注.钛的密度约为 4.51 g/cm3,不到钢密度的 60%,高比强度、良好的抗腐蚀性、抗氧化性能等使其成为一种重要的金属结构材料1-2.钛及钛合金主要应用于航空航天领域,在船舶、汽车及建筑等领域的应用也日益增加.随着钛合金的广泛应用,成分单一、一次成形的钛合金器件难以满足使用需求的提高,因此钛及钛合金的异种材料连接具有重大的使用意义3-5.TA1 作为一种成形性能较好的工业纯钛,往往被制备成高精度构件,但是 TA1 的其他性能不能满足服役需求,为此常常与其他钛合金构成复合器件使用6-8.目前,应用最为广泛的钛合金为固溶强化钛合金,其中,+型两相 TC4(Ti-6Al-4V)钛合金具有良好的塑形和优异的力学性能,在航空航天中火箭发动机、飞行器后部升降舵夹具、压力容器等方面大量应用9.因此,实现 TA1 和 TC4 钛合金的可靠连接对于制造应用于航空航天中的精密器件具有重大意义.在各种连接方法中,钎焊因其焊接温度远低于母材熔点,导致焊接变形小、焊接精度高,对母材性能影响小,往往应用于高精度及复杂结构件的连接10-11.钎焊是利用液态钎料在母材表明润湿铺展,从而填充焊缝,最终实现与母材良好冶金结合的焊接方法.钎料在母材表面的润湿性往往决定焊接的成功与否,良好的润湿是成功实现连接的关键.因此,研究钎料的润湿过程对钎焊具有重大意义12-14,文中采用与母材成分相近的 TiZrNiCu 作为钎料,研究了 TiZrNiCu 钎料在 TA1/TC4 异质界面的反应润湿过程,为二者的有效连接提高理论基础.1试验方法试验分为钎料润湿铺展试验和填缝试验两部分,铺展试验采用尺寸均为 40 mm 40 mm 3 mm 的 TA1 钛合金和 TC4 钛合金片,试验前,采用200 号、400 号、600 号、800 号砂纸将润湿面打磨光亮,并清洗干净.填缝试验采用尺寸均为 100 mm 70 mm 3 mm 的 TA1 钛合金和 TC4 钛合金板,上收稿日期：20220726基金项目：国家自然科学基金杰出青年项目(52125502)；国家自然科学基金青年项目(52005131)；黑龙江省“头雁”团队经费资助项目(HITTY-20190013).第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):08 14June 2023端加工出 45倒角,以便于钎料的预置.需钎料润湿的表面进行精加工,粗糙度为 3.2,四周打直径为8 mm 的孔洞,二者用螺栓进行装配,焊前使用酒精清洗干净,不同厚度的(20，50，80，100 m)钛箔放置二者之间,用于控制缝隙宽度,其装配示意图如图 1 所示,填缝试验完成后,将试件延填缝方向切为 7 部分,每部分宽均为 10 mm,采用光学显微镜观察钎料填缝状态后,测量每部分截面填缝长度后取平均值.试验所使用的钎料为 Ti51ZrNiCu 粉末,其成分如表 1 所示,DSC 测试表明其熔点在 845,焊前采用聚乙烯醇水溶液配制成焊膏备用.图 1 填缝试验装配图示意图Fig.1 Schematic assembly drawing of filling experiment 表 1 TiZrNiCu 钎料化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of TiZrNiCu filler alloy TiZrNiCu余量27315271.5 试验参数选用 935/3 min,室温到 800 的升温速率为 20/min,保温 5 min,800 到 935 的升温速率为 10/min,保温 3 min 后,以 10/min的降温速率降到 450 后随炉冷却.采用润湿角测量仪测量润湿角、扫描电子显微镜及能谱分析仪对界面进行观察分析.2试验结果与分析 2.1 TiZrNiCu 钎料润湿典型界面组织在试验温度为 935、保温时间为 3 min 的条件下,所获得的 TiZrNiCu 钎料在 TA1 表面润湿的典型组织结构如图 2 所示.可以看出,钎料在母材润湿铺展性能良好,接触角度较小,钎料与母材间的结合较为致密,没有出现明显的裂纹和断裂倾向,钎料与母材界面处有多种物相组成.钎料润湿后图 2 中 A E 点能谱结果.如表 2 所示.润湿界面分为 3 个区域：母材扩散区、母材与钎料反应区和钎料润湿区.在钎料润湿区,可以观察到钎料和TA1 发生溶解扩散,钎料与母材发生反应后主要由两部分组成,一是以点 A 处为代表,由明暗两相组成,其中暗相与母材相近,元素成分主要为 Ti 元素,存在少量的钎料中元素，即 Zr 元素、Cu 元素、Ni 元素.物相应该为-Ti 相,而亮相呈针状组织且弥散分布,存在较多的 Zr 元素、Cu 元素、Ni 元素,物相应为-Ti 相；二是由 B 点与 C 点代表的网络状亮相与点状暗相交织组成,根据能谱分析,网络状的亮相应为(Ti,Zr)2(Ni,Cu)相,点状的暗相应为-Ti 相.母材与钎料反应区,即钎料与母材接触的界面处,点 D,其物相形貌和能谱结果与 A 点相似,因此物相应相同,皆为-Ti+-Ti 相.母材扩散区是由钎料扩散到母材深处形成的,产生具有方向性针状物相,由 E 点能谱结果可知,该相应该为-Ti 相,钎料中少量的 Zr 元素、Cu 元素、Ni 元素扩散到母材中.+A+B+C+D+E40 m 图 2 TiZrNiCu 钎料在 TA1 表面润湿典型组织结构Fig.2 Typical interfacial microstructure of TiZrNiCuwetting on TA1 alloy 表 2 图 2 中 A E 点能谱结果(原子分数，%)Table 2 EDS results of A E spots in Fig.2 位置TiZrNiCu可能的相A81.9613.792.971.28-TiB44.0920.4024.1411.37(Ti,Zr)2(Ni,Cu)C61.8115.3310.1212.74-TiD80.729.196.853.24-TiE96.511.710.531.24-Ti第6期高德君，等：TiZrNiCu 钎料在 TA1/TC4 异质界面的反应润湿过程9在试验温度为 935、保温时间为 3 min 的条件下,所获得的 TiZrNiCu 钎料在 TC4 表面润湿的典型组织结构如图 3 所示.与钎料在 TA1 表面润湿相似,钎料与母材结合较为致密,没有明显缺陷,钎料在母材润湿铺展性能良好,接触角度较小.表 3为钎料润湿后图 3 中 A C点能谱结果,物相成分和形貌与 TA1 润湿界面相似,总体相同,只有钎料与母材反应界面处略有差异,相较于 TA1 润湿界面,TC4 的润湿界面的-Ti+-Ti 相更为明显,同时钎料渗入母材距离较短,且无明显的方向性存在.ABC40 m 图 3 TiZrNiCu 钎料在 TC4 表面润湿典型组织结构Fig.3 Typical interfacial microstructure of TiZrNiCuwetting on TC4 alloy 基于以上对 TiZrNiCu 钎料润湿界面组织分析,认为在试验温度为 935,保温时间为 3 min,钎料与 TA1 或 TC4 母材发生反应润湿,润湿效果良好,界面组织由均匀的三部分组成,即含有少量 Ni 元素、Zr 元素、Cu 元素-Ti 相的母材扩散区,较多的Ni 元素、Zr 元素、Cu 元素-Ti+-Ti 相的母材与钎料反应区,和-Ti+-Ti 相+(Ti,Zr)2(Ni,Cu)相组成的钎料润湿区.2.2 试验温度对润湿界面的影响图 4,图 5 分别为在保温时间为 3 min 的条件下,所获得的不同试验温度(915 955)的TiZrNiCu 钎料在 TA1 和 TC4 钛合金表面润湿界面组织结构.可以观察到,随着试验温度的增加,钎料润湿区中白色相(Ti,Zr)2(Ni,Cu)略有增加,但效果不显著.钎料与母材反应区逐渐增加,母材的溶解区变厚,但界面组织整体变化不大,说明润湿组织对这个区间内的试验温度不敏感,具有较宽的润湿 表 3 图 3 中 A C点能谱结果(原子分数，%)Table 3 EDS results of A C spots in Fig.3 位置TiZrNiCu可能的相A82.5011.992.403.11-TiB41.9320.8526.6910.53(Ti,Zr)2(Ni,Cu)C62.6113.5912.1911.61-Ti 50 m50 m50 m(a)915(b)925 50 m50 m(d)945(e)955(c)935 图 4 试验温度对 TA1 润湿界面组织的影响Fig.4 Effect of temperature on interfacial microstructure of TiZrNiCu wetting on TA1 alloy brazed at 3 min.(a)915;(b)925;(c)935;(d)945;(e)955 10焊 接 学 报第44卷温度工艺区间.在试验温度为 915 955 范围变化下,TiZrNiCu 钎料对 TA1 和 TC4 钛合金表面的润湿铺展效果较为良好.图 6 为在保温时间为 3 min 的条件下,不同试验温度下,TiZrNiCu 钎料在 TA1 和 TC4 钛合金表面润湿角的变化,二者变化规律相同,这归结于钎料与二者的反应相似.随温度的增加,钎料的润湿性小幅提高,润湿角略有起伏,但整体呈下降趋势.2.3 保温时间对润湿界面的影响图 7 和图 8 分别为在试验温度为 935 的条件下,所获得的不同保温时间(1 10 min)的TiZrNiCu 钎料在 TA1 和 TC4 钛合金表面润湿界面组织结构.随着保温时间的增加,润湿界面组织基本没有明显变化,结合图 9 润湿角随时间的变化,可以发现在 1 10 min 的保温时间范围内,润湿角略有起伏,但是整体变化不明显,说明润湿组织对这个区间内的保温时间不敏感,根据其他学者的研究及使用经验发现15-16,TiZrNiCu 钎料在连接强度件时,需要经过长时间的高温热处理,所以保温时间 1 10 min 较短,对润湿界面及润湿角没有产生显著影响.2.4 填缝试验结果在填缝试验中，人工设置了不同宽度(20，50，80，100 m)的间隙，采用的试验参数为 935/3 min，50 m50 m50 m(a)915(b)925 50 m50 m(d)945(e)955(c)935 图 5 试验温度对 TC4 润湿界面组织的影响Fig.5 Effect of temperature on interfacial microstructure of TiZrNiCu wetting on TC4 alloy brazed at 3 min.(a)915;(b)925;(c)935;(d)945;(e)955 40915925935945955润湿角度/()保温温度 T/(a)TA1 润湿角3530252015105040915925935945955润湿角度/()保温温度 T/(b)TC4 润湿角35302520151050 图 6 试验温度对润湿角的影响Fig.6 Effect of temperature on wetting angle ofTiZrNiCu wetting on TA1/TC4 alloy brazed at 3min.(a)contact angle of TA1;(b)contact angleof TC4第6期高德君，等：TiZrNiCu 钎料在 TA1/TC4 异质界面的反应润湿过程11测量钎料在缝隙中充填的长度，以衡量钎料的填缝能力.图 10 是间隙为 80 m 的典型光学照片，可以看出钎料在试件前部充分填充，到中部位置填充结束，未能填充所有缝隙.不同间隙下(20，50，80，100 m)，钎料填充的长度不同，其对应的平均填充长度为完全填充、82.98，52.74，48.08 mm.根据钎焊中钎料爬升高度公式，即h=2(SGLG)ag(1)a式中：为平行板的间隙,钎焊时即为钎缝间隙；为 50 m50 m50 m50 m(a)1 min(b)3 min(c)5 min(d)10 min 图 7 保温时间对 TA1 润湿界面组织的影响Fig.7 Effect of time on interfacial microstructure ofTiZrNiCu wetting on TA1 alloy brazed at 935.(a)1 min;(b)3 min;(c)5 min;(d)10 min 50 m50 m50 m50 m(a)1 min(b)3 min(c)5 min(d)10 min 图 8 保温时间对 TC4 润湿界面组织的影响Fig.8 Effect of time on interfacial microstructure ofTiZrNiCu wetting on TC4 alloy brazed at 935.(a)1 min;(b)3 min;(c)5 min;(d)10 min12焊 接 学 报第44卷SGLGg液体的密度；为固气界面的比表面自由能；为液气界面的比表面自由能；为重力加速度./aa在焊接参数、钎料及母材固定的情况下,除钎缝间隙外,其他参数均相同,那么钎料爬升高度应与钎缝间隙成反比,将所得结果带入发现数值大致符合客观规律,因钎料与母材的反应影响了钎料的爬升高度,故所测量值不能等于满足公式计算结果.根据实验结果,可将 TiZrNiCu 钎料在 TA1/TC4板填充长度化为经验公式：h=4 000,其中钎缝间隙 的单位为 m,爬升高度 h 单位为 mm.3结论(1)TiZrNiCu 钎料,对 TA1 和 TC4 母材润湿性良好,在试验温度为 915 955 之间时,二者的润湿角均在 30左右.(2)试验温度对 TiZrNiCu 钎料在 TA1 和 TC4母材上的润湿性有影响,随着温度的增加(915 955),润 湿 角 逐 渐 降 低；而 保 温 时 间(1 10 min)对其润湿性没有显著影响.(3)在试验参数为 935/3 min 的条件下,TiZrNiCu 钎料对 TA1 和 TC4 母材填充能力可简化为经验公式：h=4 000/a,其中钎缝间隙 a 的单位为 m,爬升高度 h 单位为 mm.参考文献郭鲤,何伟霞,周鹏,等.我国钛及钛合金产品的研究现状及发展前景 J.热加工工艺,2020,49(22):2228.GuoLi,HeWeixia,ZhouPeng,et al.Researchstatusanddevel-opment prospect of titanium and titanium alloy products inChinaJ.HotWorkingTechnology,2020,49(22):2228.1洪权,郭萍,周伟.钛合金成形技术与应用 J.钛工业进展,2022,39(5):2732.HongQuan,GuoPing,ZhouWei.Formingtechniqueandapplic-ation of titanium alloyJ.Titanium Industry Progress,2022,39(5):2732.2LiPeng,DongHonggang,XiaYueqing,et al.Inhomogeneousin-terfacestructureandmechanicalpropertiesofrotaryfrictionwel-dedTC4titaniumalloy/316LstainlesssteeljointsJ.JournalofManufacturingProcesses,2018,33:5463.3LeeMK,ParkJJ,LeeJG,et al.Phase-dependentcorrosionofti-tanium-to-stainless steel joints brazed by Ag-Cu eutectic alloyfiller and Ag interlayerJ.Journal of Nuclear Materials,2013,439(1-3):168173.4陈国庆,张秉刚,武振周,等.TiAl/Ti60电子束焊接接头组织及性能 J.焊接学报,2009,30(12):4144.Chen Guoqing,Zhang Binggang,Wu Zhenzhou,et al.Micro-structureandmechanicalpropertiesofelectronbeamweldeddis-similarTiAl/Ti60jointJ.TransactionsoftheChinaWeldingIn-stitution,2009,30(12):4144.5LiuGuanpeng,LiYulong,LeiMin,et al.Anovelmethodforfab-ricatingmicron-scaleporousstructureonthesurfaceofcommer-6 13510润湿角度/()保温时间 t/min(a)TA1 润湿角3530252015105013510润湿角度/()保温时间 t/min(b)TC4 润湿角35302520151050 图 9 保温时间对润湿角的影响Fig.9 Effect of time on wetting angle of TiZrNiCuwetting on TA1/TC4 alloy brazed at 935.(a)contact angle of TA1;(b)contact angle of TC4 1 mm 图 10 填缝试验光学照片Fig.10 Optical photograph of filling experiment第6期高德君，等：TiZrNiCu 钎料在 TA1/TC4 异质界面的反应润湿过程13cially-pureTiJ.MaterialsLetters,2021,294:129802.毕宗岳,杨军,刘海璋,等.TA1/X65 复合板焊接工艺及焊缝组织和性能研究 J.金属学报,2016,52(8):10171024.BiZongyue,YangJun,LiuHaizhang,et al.Investigationontheweldingprocessandmicrostructureandmechanicalpropertyofbutt joints of TA1/X65 clad plateJ.Acta Metallurgica Sinica,2016,52(8):10171024.7刘松.TiZrCuNi 钎料真空钎焊纯钛 TA1 接头界面的显微组织和钎料元素扩散行为 J.机械工程材料,2020,44(1):3338.LiuSong.Microstructureandfillermetalelementdiffusionbeha-viorofTiZrCuNifillermetalvacuumbrazingpuretitaniumTA1joint interfaceJ.Materials for Mechanical Engineering,2020,44(1):3338.8Liu Shilei,MiaoJiakai,Zhang Weiwei,et al.Interfacial micro-structureandshearstrengthofTC4alloyjointsvacuumbrazedwithTiZrNiCufillermetalJ.MaterialsScience&Engineer-ingA,2020,775:110.9YangZhenwen,ChenYuhan,NiuShiyu,et al.Phasetransition,microstructuralevolutionandmechanicalpropertiesofTi-6Al-4VandTi-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3SijointsbrazedwithTi-Zr-Ni-Cufiller metalJ.Archives of Civil and Mechanical Engineering,2020,20(3):115.10GanjehE,Sarkhosh H.Microstructural mechanical and fracto-graphicalstudyoftitanium-CPandTi6Al4VsimilarbrazingwithTi-basedfillerJ.MaterialsScience&EngineeringA,2013,11559:119129.LinQiaoli,XieKaibin,RanSui,et al.Kineticanalysisofwettingand spreading at high temperatures:A reviewJ.Advances inColloidandInterfaceScience,2022,305:117.12JingYongjuan,YueXishan,GaoXingqiang,et al.TheinfluenceofZrcontentontheperformanceofTiZrCuNibrazingfillerJ.MaterialsScience&Engineering:A,2016,678(15):190196.13冯吉才.异种材料连接研究进展综述 J.航空学报,2022,43(2):137.FengJicai.ResearchprogressondissimilarmaterialsjoiningJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2022,43(2):137.14Qiu Qiwen,Wang Ying,Yang Zhenwen.Microstructure andmechanical properties of TiAl alloy joints vacuum brazed withTiZrNiCubrazingpowderwithoutandwithMoadditiveJ.Materials&Design,2016,90:650659.15Song Xiaoguo,Zhang Te,Feng Yangju,et al.Brazing ofTiBw/TC4compositeandTi60alloyusingTiZrNiCuamorphousfiller alloyJ.Transactions of Nonferrous Metals Society ofChina,2017,27(10):21932201.16第一作者：高德君,1993 年出生,博士；主要从事钎焊及扩散焊方面的科研工作.Email:.通信作者：司晓庆,1989 年出生,博士,副研究员,硕士生导师；主要从事陶瓷/金属钎焊/扩散焊,高温固态能源器件封接.发表论文 30 余篇.Email:.（编辑：张基隆）14焊 接 学 报第44卷MAIN TOPICS,ABSTRACTS&KEY WORDSResearch on the constraint of SE(T)specimen based oncrack tip plastic zone parameters XIA Congcong1,ZHAO Yangyang1,DAI Lianshuang2,GONG Baoming1,DENG Caiyan1,WANG Dongpo1(1.School of Materials Sci-ence and Engineering,Tianjin University,Tianjin Key Laborat-ory of Advanced Joining Technology,Tianjin,300072,China；2.China Oil&Gas Pipeline Network Corporation,Beijing,100020,China).pp 1-7r1/2p0r1/2pmaxA1/4pzPr1/2p0r1/2pmaxA1/4pzPAbstract:In this paper,X80 high-strength pipeline steel istaken as the research object.Combined with numerical andtheoretical analysis,the constraint parameters、based on the geometric characteristics of the plasticzone at the crack tip are studied for the crack tip stress of dif-ferent single edge notch tensile SE(T)specimens.The in-planeand out-of-plane constraint effects on the fracture toughness ofSE(T)specimens of X80 pipeline steel were quantified by frac-ture toughness tests.The relationship between、,the uniform of in-plane and out-of-plane constraintbased on the plastic zone at the crack tip,and the stress intens-ity factor K were established.The analytical relationshipbetween the constraint parameters and the T stress(T11 and T33)was determined,and the fracture toughness prediction methodsunder small-scale yield conditions were proposed through fi-nite element simulation and theoretical analysis.Highlights:The in-plane and out-of-plane constraint effectson the fracture toughness of SE(T)specimens of X80 pipelinesteel were quantified.the fracture toughness prediction meth-ods were proposed through finite element simulation and theor-etical analysis.Key words:fracture；the plastic zone；single edge notchtensile；constraint Study on the reactive wetting process of TiZrNiCu onTA1/TC4 heterogeneous interface GAO Dejun1,WU Sh-aowang2,YANG Shengxu2,ZHANG Chenghao1,LIUYongxu1,SI Xiaoqing1,CAO Jian1(1.State Key Laboratory ofAdvanced Welding and Joining,Harbin Institute of Techno-logy,Harbin,150001,China；2.Xian Space Engine Com-pany Limited,Xian,710100,China).pp 8-14Abstract:Ti51ZrNiCu filler alloy was used to study the re-active wetting process on TA1/TC4 heterogeneous interface.The interfacial microstructure of different surfaces was studiedby scanning electron microscope(SEM),energy dispersivespectrometer(EDS)and wetting angle measuring instrument.And the influences of experiment parameters on interfacial mi-crostructure and wettability were summarized.The filling ex-periment was finished to evaluate the wetting and spreadingability of TiZrNiCu on TA1/TC4 heterogeneous interface.Theempirical equation of filling experiment was summarized.Theempirical equation,h=4 000/a,was used to assess filling abil-ity of TiZrNiCu on TA1/TC4 heterogeneous interface at 935 for 3 min.In this empirical equation,the unit of brazing gap ais m,and the unit of climbing height h is mm.Highlights:(1)The filling experiment about wetting andspreading ability of Ti51ZrNiCu on TA1/TC4 heterogeneousinterface was designed.(2)The empirical equation was summarized to evaluate thewetting and spreading ability.Key words:TC4 alloy；TA1 alloy；TiZrNiCu filler alloy；wetting behaviour；filling experiment Study on micro-cracks of the NiCrFe-7 weld metal withlarge thickness WU Dong1,DONG Wenchao1,LU Yan-hong2,HOU Dongdong2,ZHANG Maolong2,LU Shanping1(1.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China；2.Shanghai Electric Nuclear PowerEquipment Corporation Ltd.,Shanghai 201306,China).pp 15-19Abstract:Micro-cracks in a NiCrFe-7 weld metal with largethickness were characterized and analyzed by metallographicmicroscopy,scanning microscopy,and electron backscatter dif-fraction.Two kinds of welding methods,shielded metal arcwelding(SMAW)and gas tungsten arc welding(GTAW),wereapplied in our study.The results showed that the crack was akind of reheating crack along the grain boundaries in the heat2023,Vol.44,No.6TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONI