Ti60鈦合金擴(kuò)散連接界面孔洞演化動力學(xué)及焊合率預(yù)測研究，觀察不同工藝下界面孔洞形態(tài)數(shù)量及尺寸變化，建立工藝參數(shù)-焊合率-剪切強(qiáng)度關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接質(zhì)量定量表征

高溫鈦合金具備高比強(qiáng)度和良好的熱穩(wěn)定性，其在飛行體等結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已取得了良好的減重效益[1-5]。Ti60鈦合金是在IMI834合金的基礎(chǔ)上開發(fā)的近α型高溫鈦合金，加入了更多的Si元素和少量的Ta元素，可以控制a2相少量析出，使a2相與硅化物作為強(qiáng)化相，以改善高溫蠕變和持久性能，已在飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、輪盤、鼓筒以及整體葉盤等關(guān)鍵零部件上得到應(yīng)用[6-9]。

擴(kuò)散連接是將材料緊壓在一起，置于真空或保護(hù)氣氛中，加熱至一定溫度，然后對其施加壓力使連接界面緊密接觸，而后經(jīng)原子相互擴(kuò)散而形成牢固的冶金結(jié)合的一種連接方法[10]，材料未發(fā)生熔化，成形零件缺陷少，無殘余應(yīng)力。劉繼雄等[11]研究了擴(kuò)散連接溫度與連接時(shí)間對SP-700鈦合金熱軋板擴(kuò)散連接質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)連接時(shí)間的延長、連接溫度的升高可促使連接界面焊合率增大，升高連接溫度有助于縮短界面完全結(jié)合所需的連接時(shí)間。HamiltonCH[12]首次明確提出待擴(kuò)散連接表面接觸時(shí)波峰對波峰，波谷對波谷的擴(kuò)散連接數(shù)學(xué)模型。吳會平[13]基于連接界面表面形貌差異提出了一個(gè)可以預(yù)測完全焊合接頭的擴(kuò)散連接時(shí)間、焊合率、不同時(shí)刻空洞分布狀態(tài)與空洞尺寸的雙峰模型。國內(nèi)外目前關(guān)于Ti60鈦合金擴(kuò)散連接的研究較少，合適的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)尚不明確。本文進(jìn)行了Ti60鈦合金板材在不同保溫溫度、保溫保壓時(shí)間、保壓壓力條件下的擴(kuò)散連接試驗(yàn)，分析了Ti60鈦合金板材擴(kuò)散連接界面的焊合率和剪切強(qiáng)度隨工藝參數(shù)的變化，促進(jìn)了Ti60鈦合金擴(kuò)散連接的工程化應(yīng)用。

1、試驗(yàn)材料及方法

本文采用中國科學(xué)院金屬研究所提供的熱軋退火態(tài)Ti60鈦合金板材，厚度為2mm。原始板材軋制方向(RD)的室溫單向拉伸工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線見圖1，屈服強(qiáng)度為1139.7MPa，抗拉強(qiáng)度為1154.5MPa，斷后伸長率為15.2%。原始板材微觀組織見圖2，其中TD為軋件的橫向。可以看出，Ti60鈦合金組織由初生α相和晶間β相組成，α相呈等軸狀和軋制形成的拉長狀，分布較為均勻，平均體積分?jǐn)?shù)約為58.0%，平均晶粒尺寸為33.2μm。

本文以擴(kuò)散連接界面的剪切強(qiáng)度和焊合率為依據(jù)來衡量擴(kuò)散連接效果。采用如圖3a所示的拉剪試樣按照GB/T6396-2008[14]進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，斷裂過程中最大力與試樣中部搭接面積比值即為剪切強(qiáng)度，試樣長度方向?yàn)檐堉品较颉€切割得到的試片待連接表面進(jìn)行打磨、拋光和酸洗處理，去除表面雜質(zhì)和氧化物。將試片沿RD方向?qū)R放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散連接試驗(yàn)。為衡量保溫溫度和保溫保壓時(shí)間對原始板材室溫力學(xué)性能的影響，采用線切割加工得到如圖3b所示的隨爐熱處理單向拉伸試樣，與擴(kuò)散連接試片一同放入真空擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行隨爐熱處理，擴(kuò)散連接試驗(yàn)條件如表1所示。采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM5504X型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對拉剪試樣和隨爐熱處理拉伸試樣進(jìn)行室溫單向拉伸試驗(yàn)，測定試樣力學(xué)性能;采用南京江南永新有限公司生產(chǎn)的MR5000型光學(xué)顯微鏡觀察擴(kuò)散連接界面上的微觀組織，分析微觀組織變化，測定焊合率。

表1 擴(kuò)散連接試驗(yàn)工藝參數(shù)

Table 1 Process parameters of diffusion bonding experiment

2、試驗(yàn)結(jié)果

2.1保溫溫度對擴(kuò)散連接界面的影響

在保壓壓力為2MPa、保溫保壓時(shí)間為2h的條件下，保溫溫度對擴(kuò)散連接界面組織和焊合率的影響分別如圖4和圖5所示。結(jié)合圖4和圖5可以看到，當(dāng)保溫溫度為900℃時(shí)，擴(kuò)散連接界面存在較多的長條狀孔洞，如圖4a所示，未焊合區(qū)域較多，焊合率僅為70.0%。隨著保溫溫度逐漸升高，擴(kuò)散連接界面處的孔洞數(shù)量逐漸減少，形狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睿孪嗟捏w積分?jǐn)?shù)逐漸減少，焊合率逐漸升高，如圖4b所示。當(dāng)保溫溫度大于或等于940℃時(shí)，擴(kuò)散連接界面處的絕大部分結(jié)合區(qū)域被晶界和晶粒占據(jù)，如圖4c和圖4d所示。從圖5中可以看出，隨著保溫溫度升高，焊合率的增大速度逐漸減緩，當(dāng)保溫溫度達(dá)到960℃時(shí)，焊合率達(dá)到98.5%。

保溫溫度對擴(kuò)散連接界面剪切強(qiáng)度的影響如圖6所示。在900℃時(shí)，試樣擴(kuò)散連接界面的剪切強(qiáng)度僅為196.0MPa，隨著保溫溫度的升高，擴(kuò)散連接界面的剪切強(qiáng)度也逐漸升高，在940℃時(shí)大幅度提高，達(dá)到547.9MPa，之后隨著保溫溫度升高，擴(kuò)散連接界面的剪切強(qiáng)度的增大速度減緩，960℃時(shí)剪切強(qiáng)度達(dá)到559.6 MPa。

2.2保溫保壓時(shí)間對擴(kuò)散連接界面的影響

在保溫溫度為940℃、保壓壓力為2MPa的條件下，保溫保壓時(shí)間對擴(kuò)散連接界面組織和焊合率的影響分別如圖7和圖8所示。結(jié)合圖7和圖8可以看到，當(dāng)保溫保壓時(shí)間為0.5h時(shí)，擴(kuò)散連接界面分布有數(shù)量較多的長條狀和球狀孔洞，如圖7a所示，焊合率為84.9%。隨著保溫保壓時(shí)間的延長，孔洞數(shù)量減少，β相的體積分?jǐn)?shù)明顯減少。當(dāng)保溫保壓時(shí)間小于或等于1.5h時(shí)，晶粒大小變化不明顯，如圖7a~圖7c所示。當(dāng)保溫保壓時(shí)間大于或等于2.0h時(shí)，連接界面處的孔洞基本消失，如圖4c、圖7d所示。從圖8中可以看出，隨著保溫保壓時(shí)間的延長，焊合率的增大速度逐漸減緩，保溫保壓時(shí)間為3.0h時(shí)，焊合率達(dá)到97.8%。

保溫保壓時(shí)間對擴(kuò)散連接界面剪切強(qiáng)度的影響如圖9所示。經(jīng)過0.5h的保溫保壓，連接界面的剪切強(qiáng)度為261.6MPa。隨著保溫保壓時(shí)間的延長，剪切強(qiáng)度逐漸升高，上升幅度逐漸減緩，保溫保壓時(shí)間為2.0h時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到547.9MPa，保溫保壓時(shí)間為3.0h時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到559.2MPa，上升幅度明顯降低。

2.3保壓壓力對擴(kuò)散連接界面的影響

在保溫溫度為940℃、保溫保壓時(shí)間為2h的條件下，保壓壓力對擴(kuò)散連接界面組織和焊合率的影響分別如圖10和圖11所示。結(jié)合圖10和圖11可知，在1.0MPa的保壓壓力條件下，界面處分布有較多孔洞，如圖10a所示，焊合率為89.0%。當(dāng)保壓壓力小于或等于2.0MPa時(shí)，升高壓力會促進(jìn)孔洞彌合，使孔洞數(shù)量減少、尺寸減小，如圖10a、圖10b和圖4c所示。當(dāng)保壓壓力達(dá)到2.0MPa時(shí)，焊合率為95.9%。當(dāng)保壓壓力為2.5MPa時(shí)，焊合率出現(xiàn)些許下降，如圖11所示，認(rèn)為是由于采用剛性擴(kuò)散時(shí)連接界面受力并不均勻，使得局部區(qū)域連接界面未貼合，孔洞無法完全消除，如圖10c所示。在3.0MPa的保壓壓力下，連接界面處的孔洞基本消失，如圖10d所示，焊合率達(dá)到97.4%。

保壓壓力對擴(kuò)散連接界面剪切強(qiáng)度的影響如圖12所示，在1.0MPa的保壓壓力下，連接界面的剪切強(qiáng)度為439.7MPa，隨著保壓壓力的升高，剪切強(qiáng)度逐漸升高。保壓壓力為2.0MPa時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到547.9MPa，當(dāng)保壓壓力大于2.0MPa時(shí)，剪切強(qiáng)度的提升速度明顯減緩，當(dāng)保壓壓力為2.5MPa時(shí)，連接界面的剪切強(qiáng)度與2.0MPa保壓壓力時(shí)相當(dāng)，這與圖11所示的保壓壓力為2.5MPa時(shí)的焊合率有所下降有關(guān)。當(dāng)保壓壓力為 3.0 MPa時(shí)，擴(kuò)散連接界面的剪切強(qiáng)度達(dá)到557.7 MPa。

2.4保溫保壓時(shí)間和保溫溫度對原始板材力學(xué)性能的影響

為研究擴(kuò)散連接過程中，加熱對 Ti60鈦合金力學(xué)性能的影響,在940和960℃兩個(gè)保溫溫度下進(jìn)行擴(kuò)散連接時(shí)放入隨爐熱處理拉伸試樣，并測試其室溫力學(xué)性能,如表2和表3所示。經(jīng)高溫保溫和隨爐冷卻后，與Ti60鈦合金原始板材性能進(jìn)行對比，隨爐熱處理拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度降低了13%14%，這與加熱過程中的相變、晶粒長大等相關(guān)。當(dāng)保溫溫度達(dá)到940℃后，升高溫度和延長保溫保壓時(shí)間，Ti60鈦合金的室溫強(qiáng)度不再繼續(xù)降低。

表2 保溫保壓時(shí)間為2h時(shí)保溫溫度對原始板材力學(xué)性能的影響

Table 2 Effect of holding temperature on mechanical properties for original sheet at holding time of 2 h

表3 保溫溫度為940℃時(shí)保溫保壓時(shí)間對原始板材力學(xué)性能的影響

Table 3 Effect of holding time on mechanical properties for original sheet at holding temperature of 940℃

3、結(jié)論

(1)保溫溫度升高使得Ti60鈦合金母材軟化,擴(kuò)散系數(shù)增大，在相同保壓壓力和保溫保壓時(shí)間條件下，孔洞彌合得更充分，擴(kuò)散連接界面的焊合率隨之增大。原子的擴(kuò)散遷移需要時(shí)間,延長保溫保壓時(shí)間使得界面焊合率增大。增大保壓壓力可以加速界面原子激活，促進(jìn)孔洞愈合，增大焊合率。在940℃/2h/2MPa的條件下，連接界面的焊合率達(dá)到95.9%,已接近100%,繼續(xù)升高保溫溫度、延長保溫保壓時(shí)間、增大保壓壓力，焊合率提升空間不大，提升速度明顯減緩，在960℃/2h/2 MPa條件下，焊合率達(dá)到98.5%。

(2) Ti60鈦合金擴(kuò)散連接界面的剪切強(qiáng)度與焊合率基本呈正相關(guān)，焊合率反映連接界面受力面積大小，焊合率越高，連接界面剪切強(qiáng)度越高，在960℃/2h/2MPa條件下，剪切強(qiáng)度達(dá)到559.6MPa。

(3) Ti60鈦合金板材經(jīng)高溫保溫后，RD方向的室溫強(qiáng)度明顯降低，經(jīng)過940℃高溫保溫2h后，Ti60鈦合金的室溫抗拉強(qiáng)度由1154.5 MPa降低至994.1MPa，下降約14%，主要是因?yàn)楸剡^程中Ti60鈦合金α晶粒逐漸等軸粗化和發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶。為獲得與母材性能接近的力學(xué)性能，需對擴(kuò)散連接后零件進(jìn)行熱處理等工藝的優(yōu)化處理。當(dāng)保溫溫度達(dá)到940℃后，升高保溫溫度和延長保溫保壓時(shí)間，對Ti60鈦合金的室溫強(qiáng)度影響不大。

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（注，原文標(biāo)題：Ti60鈦合金擴(kuò)散連接界面組織及剪切性能）