中国有色金属学报 2004,(08),1269-1273 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.08.003
TiAl/40Cr高频感应钎焊接头的界面组织及力学性能
李玉龙 冯吉才 何鹏 闫久春
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室 哈尔滨150001 ,哈尔滨150001 ,哈尔滨150001 ,哈尔滨150001
摘 要：
以Ag Cu Ni Li为钎料对TiAl与40Cr进行了高频感应钎焊,研究了TiAl/40Cr钎焊接头的界面组织和力学性能。采用扫描电镜、电子探针、X射线能谱分析仪等分析了界面组织及生成相,测试了接头的抗拉强度及界面生成相的显微硬度。结果表明:钎料与2种母材发生界面生反应成Al3Ti、Ag[s,s]、Ti(CuAl)2、Ti2Ni和TiC等多种反应相,接头界面结构Al/A为Til3Ti/Al3Ti+Ag[s,s]/Ti(CuAl)2+Ti2Ni+Ag[s,s]/TiC/40Cr。在实验所选的工艺参数范围内,当连接温度θ=850℃,保温时间t=180s时,接头的抗拉强度达到265MPa。
关键词：
TiAl/40Cr ;感应钎焊 ;显微组织 ;力学性能 ;
中图分类号： TG407
作者简介： 李玉龙(1978),男,博士研究生.;
收稿日期： 2003-12-24
基金： 国家高技术研究发展计划资助项目(2003AA305210);
Interfacial microstructure and mechanical properties of induction brazing TiAl/40Cr joints
Abstract：
Induction brazing of TiAl and 40Cr using Ag-Cu-Ni-Li foil as filler metal was investigated. Both interfacial microstructures and mechanical properties of brazed joints were studied, and the influence of brazing temperature was evaluated. The interface structure formation phases of the joints were investigated by scanning electron microscopy, electron probe microanalysis and X-ray diffraction, the tensile strength of joint and the microhardness of the formation phases were tested. The results show that Ag-Cu-Ni-Li has reacted with both of the base metal and Al3 Ti, Ag［s, s］, Ti(CuAl)2 and Ti2 Ni phases have been produced. The typical interface structure of brazed joints can be expresses as TiAl/Al3 Ti/Al3 Ti+Ag［s, s］/ Ti(CuAl)2 +Ti2 Ni+Ag［s, s］/TiC/40Cr. The excellent joint tensile strength obtained is 265 MPa when the temperature of joint is 850 ℃ and time is 180 s.
Keyword：
TiAl/40Cr; induction brazing; microstructures; mechanical properties;
Received： 2003-12-24
由于具有密度小(约为3.8 g/cm3 )、 比强度高、 刚性好、 高温力学性能和抗氧化性好等优点, TiAl基合金在航空、 航天、 军工等领域有着广阔的应用前景
[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ]
。 目前, 发动机涡轮所用的高温合金多数为镍基合金, 虽然其高温性能良好, 但由于镍基合金密度较大(约为8 g/cm3 ), 从而造成发动机的启动、 终止响应慢, 机动性差等缺点
[6 ]
。 将TiAl基金属间化合物与40Cr钢连接制成发动机涡轮增压机构, 可降低转动惯量, 提高启动性能, 目前国内外已有TiAl合金与异种材料连接方面的报道
[7 ,8 ,9 ,10 ,11 ,12 ,13 ,14 ,15 ]
。 TiAl基合金与结构钢扩散连接研究表明, 接头附近在扩散连接过程中形成了多种脆性反应相, 使接头强度存在很大分散性, 而扩散连接需要加中间层
[14 ]
, 这就使得该种方法在实际应用上受到很大限制
[12 ,13 ,14 ,15 ]
。 本文作者采用Ag-Cu-Ni-Li为钎料对TiAl/40Cr进行了高频感应钎焊, 分析了钎焊接头的界面组织、 力学性能, 研究了连接温度对接头性能的影响。
1 实验
本文实验在氩气保护的条件下进行, 采用高频感应加热方式。 实验中所用的母材为TiAl与40Cr, 其成分列于表1中。 所用的钎料为Ag-Cu27-Ni1-Li0.5(质量分数, %), 其熔点为1 073 K。 用电火花线切割机将实验所用的两种母材TiAl、 40Cr加工成d 7 mm×30 mm的圆柱形工件, 将钎料加工成d 7 mm×55 μm的圆片, 接头形式采用圆柱对接的形式。 钎焊之前, 将各待焊表面在200# 、 400# 、 600# 、 800# 和1 000# 砂纸上逐级磨光, 再进行化学清理。 钎焊实验的钎焊温度分别为850、 870和930 ℃, 保温时间均为180 s。 采用扫描电镜(SEM, S-570)、 电子探针(EPMA, JXA-8600)和X射线衍射分析仪(XRD, JDX-3530M)等对试件接头界面组织进行了分析, 在电子拉伸机上(Instron-1186)测试了接头的抗拉强度, 并用NMT-3显微硬度仪对接头界面组织进行了显微硬度测试。
2 结果与讨论
2.1 界面组织分析
Ag-Cu-Ni-Li钎料与TiAl和40Cr两种母材均发生了界面反应, 生成了多种反应相, 这些反应产物按层分布, 构成了不同界面反应层。 为了区分各个反应层, 按微观组织形貌、 化学成分的不同将各反应层从TiAl一侧到40Cr一侧分别命名为A、 B、 C、 D层。 当连接温度为850 ℃时, A、 B、 C、 D反应层厚度分别为3、 12、 42和2 μm; 当连接温度为930 ℃时, A、 C、 D反应层厚度分别为8、 47和5 μm, 反应层B没有出现。
实验取得的接头界面组织及元素线扫描像如图1和2所示, 各个反应层的化学成分分别列于表2和3。
对比图1(a)和图2(a)中的接头界面组织:
1) 钎缝区的宽度在不同温度下无明显变化, 钎焊温度为850 ℃时, 钎缝区的总宽度为59 μm; 钎焊温度为930 ℃时, 钎缝区的总宽度为60 μm。 A、 C、 D层的宽度随钎焊温度的升高都增大了, 分别增加了5、 5和3 μm。
2) 当钎焊温度为850 ℃时, 界面组织中存在反应层B; 当钎焊温度升高到930 ℃时, 接头界面组织中的反应层B消失了。
反应层A为靠近TiAl母材的反应层, 在微观组织中呈现暗灰色并有锯齿形突起伸向反应层B中, A层在整个钎缝中所占的比例较小。 在元素扫描像上, 对应于A层的钛、 铝元素扫描线下降迅速, 镍、 铜、 银的元素扫描线为低平曲线。 由表2和3的能谱分析结果可看出, A层主要为钛、 铝元素。 反应层B中有两种组织, 一种为广布的不规则的小块儿、 小点儿, 与A层的颜色相近; 另一种为白色的基体。 灰黑色的小块儿、 小点儿镶嵌在白色基体中, 能谱分析结果显示B层中的灰色小块儿与A层的成分相近。 反应层C中也有两种组织, 一种是弥散分布的较为均匀的黑色小点儿; 另一种为白色的基体。 黑色小点儿镶嵌分布在白色基体中, 随着钎焊温度的升高, C层中的黑色小点有所长大, 而对应于C层的钛、 铝、 银、 铜和镍元素扫描线波动均较大, 表明这几种元素在C层中均有分布。 D层为靠近40Cr母材断断续续分布的黑色小块儿、 小点儿, 随着钎焊温度的升高, D层所占比例增加。 能谱分析结果显示D层钛元素含量相对较高。
表1 实验材料的化学成分
Table 1 Chemical compositions of experimental material(%)
Al
Ti
Fe
Cr
Nb
Ni
Si
C
Mn
S
P
* 47.20
Bal.
0.56
0.11
1.17
** Bal.
1.00
0.20
0.30
0.40
0.65
0.01
0.01
*—Molar fraction; **—Mass fraction
图1 钎焊温度为850 ℃时的界面组织及元素线扫描像
Fig.1 Interface section microstructure and element line scanning images of TiAl/40Cr brazed at 850 ℃
(a)—Interface section microstructure; (b)—Ti, Al and Fe element line scanning images; (c)—Ni, Cu and Ag element line scanning images
图2 钎焊温度为930 ℃时的界面组织及元素线扫描像
Fig.2 Interface section microstructure and element line scanning images of TiAl/40Cr brazed at 930 ℃
(a)—Interface section microstructure; (b)—Ti, Al and Fe element line scanning images; (c)—Ni, Cu and Ag element line scanning images
表2 钎焊温度为850 ℃时各反应层的化学成分
Table 2 Chemical compositions ofreaction layers brazed at 850 ℃
Color
Al
Fe
Ni
Cu
Ag
Black
25.2
65.2
6.4
3.2
30.1
50.5
1.3
5.2
12.9
5.0
6.2
2.4
16.4
70.0
24.8
21.3
20.1
32.6
2.2
2.3
3.1
7.8
10.6
76.2
Black
48.5
4.2
21.5
5.9
18.8
1.1
表3 钎焊温度930 ℃时各反应层的化学成分
Table 3 Chemical compositions ofreaction layers brazed at 930 ℃
Color
Al
Fe
Ni
Cu
Ag
Black
25.4
63.3
7.2
4.0
22.0
24.3
21.1
30.6
2.0
6.5
7.8
10.2
12.4
63.1
Black
50.2
1.4
20.2
15.0
8.2
5.0
能谱分析结果显示A层主要为钛和铝两种元素, 且两者的质量比接近1∶3。 在Ti-Al二元相图中, 当温度为700～1 355 ℃时有Al3 Ti生成。 化学反应为
L→L1 +固溶体(Al3 Ti+Al) (1)
固溶体→(Al3 Ti+Al) (2)
B层中的灰黑色小点儿的成分与A层相似, 显微硬度值相近, 为同一种物质(Al3 Ti)。 白色基体中的主要元素为铜和银, 结合Cu-Ag二元相图, 白色基体为铜在银中形成的固溶体, 其中也溶解了少量的其它元素, 简述为Ag[s, s]。 C层中的白色物质与B层中的成分相近, 性能相似, 为Ag[s, s]; 黑色小块儿中含有Ti(CuAl)2 和Ti2 Ni金属间化合物。 D层中断续分布的黑色块状物质中含钛量较高, 其显微硬度值达到HV856, 为TiC层。
2.2 接头力学性能
图3所示为垂直于接头界面直线上的反应层各微观区域的显微硬度变化曲线(钎焊温度为850 ℃)。 从显微硬度变化曲线中可以发现:
1) 接近TiAl一侧的反应层A(金属间化合物Al3 Ti层)硬度值相对较高, 为HV455; 在靠近40Cr一侧的反应层D(TiC层)中, 硬度值达到最大, 为HV856。
2) A、 B、 C层的硬度值总体上呈下降的趋势, B、 C层中的富银区域硬度值相对较小, 分别为HV78、 HV69。
抗拉强度值测定结果显示: 钎焊温度为850 ℃时, 接头抗拉强度为265 MPa; 钎焊温度为870 ℃时, 接头抗拉强度为187 MPa ; 钎焊温度为930 ℃时, 接头抗拉强度为157 MPa。 可见, 钎焊温度对接头抗拉强度值影响较大。
图3 钎焊温度为850 ℃时的 界面显微硬度变化曲线
Fig.3 Curve of microhardness vertical to interface brazed at 850 ℃
为了进一步分析接头的断裂行为, 对接头拉伸断口进行了扫描电镜分析及X射线衍射分析。 图4所示为断口的X射线衍射分析结果, 断口的主要生成产物为Ag、 Ti(CuAl)2 和Ti2 Ni。 图5所示为钎焊温度为850 ℃时, 40Cr一侧的典型断口局部组织。 能谱分析结果显示该种断口上的元素主要为钛、 铜、 铝和银, 且钛、 铜、 铝元素的质量比约为1∶2∶2。 结合X射线衍射分析结果, 裂纹主要产生于钛、 铜、 银元素形成的脆性金属间化合物层中, 图5中的箭头标出了裂纹产生的位置, 在外力作用下裂纹扩展到金属间化合物层与富银层之间, 并发生断裂。
图4 钎焊温度为850 ℃时 TiAl/40Cr断口的X射线衍射分析结果
Fig.4 XRD spectrum of fracture surface of TiAl/40Cr brazed at 850 ℃
图5 钎焊温度为850 ℃时40Cr一侧的典型断口
Fig.5 Typical fracture surface of 40Cr side brazed at 850 ℃
3 结论
1) 以Ag-Cu-Ni-Li为钎料在氩气保护的条件下可以实现TiAl/40Cr的高频感应钎焊。
2) 从TiAl一侧到40Cr一侧的界面结构为TiAl/Al3 Ti/Al3 Ti+Ag[s, s]/Ti(CuAl)2 +Ti2 Ni+Ag[s, s]/TiC/40Cr。 在所选钎焊实验参数中, 随着钎焊温度的变化, 接头界面生成相的种类无变化。
3) 在所选的实验参数范围内, 随着钎焊温度的升高, 接头的抗拉强度值降低。 当钎焊温度为850 ℃, 保温时间为180 s时, 接头抗拉强度值最高, 达到265 MPa。 典型断口分析结果表明, 裂纹主要产生于Ti(CuAl)2 脆性金属间化合物内部。
参考文献
[1] NodaT.ApplicationofcastgammaTiAlforautomobiles[J].Intermetallics,1998,6(78):709713.
[2] LeeSJ,WuSK,LinRY.InfraredjoiningofTiAlintermetallicsusingTi 15Cr 15Nifoil—1.themicrostructuremorphologiesofjointinterfaces[J].ActaMater,1998,46(4):12831295.
[3] 孙 坚,吴建生,张惠义,等.近γ组织TiAl合金的超塑性[J].稀有金属材料与工程,2000,29(1):1316.SUNJian,WUJian sheng,ZHANGHui yi,etal.Superplasticityofnearγ TiAlalloys[J].RareMetalMaterialandEngineering,2000,29(1):1316.
[4] 何 鹏,冯吉才,韩杰才,等.TiAl金属间化合物及其连接术的研究进展[J].焊接学报,2002,23(4):8486.HEPeng,FENGJi cai,HANJie cai,etal.AdvancesinTiAlintermetallicsanditsjoiningtechnology[J].TransactionsofTheChinaWeldingInstitution,2002,23(4):8486..
[5] 彭超群,黄伯云,贺跃辉.TiAl基合金的工艺[J].中国有色金属学报,2001,11(4):527540.PENGChao qun,HUANGBai yun,HEYue hui.Relationshipsamongtechnologies,microstructuresandmechanicalpropertiesofTiAl basedalloys[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2001,11(4):527540.
[6] TetsuiT.DevelopmentofaTiAlturbochargerforpassengervehicles[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2002,A329331:582588.
[7] LIUHJ,FENGJC.Interfacestructureandformationmechanismofdiffusion bondedjointsofTiAl basedalloytotitaniumalloy[J].ChinaWelding,2000,9(2):116120.
[8] LIUHJ,FENGJC,QIANYY.Interfacestructureandformationmechanismofdiffusion bondedjointsofSiCceramictoTiAl basedalloy[J].ScriptaMaterialia,2000,43(1):4953.
[9] 冯吉才,李卓然,何 鹏,等.TiAl/40Cr扩散连接接头的界面结构及相成长[J].中国有色金属学报,2003,13(1):162166.FENGJi Cai,LIZhuo ran,HEPeng,etal.InterfacestructuresandphasegrowthofTiAl/40Crdiffusionbondedjoint[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2003,13(1):162166.
[10] NodaT,ShimizuT,OkabeM,etal.JoiningofTiAlandsteelsbyinductionbrazing[J].MaterialsScienceandEngineeringA,1997,A239240:613618.
[11] SachioS,KojiM,TomomasaM,etal.StrengthcharacteristicsonthediffusionbondedjointofintermetalliccompoundTiAlandstructuresteel[J].QuarterlyJournaloftheJapanWeldingSociety,1998,16(1):5965.
[12] HanWB,ZhangJH.DiffusionbondingbetweenTiAlbasedalloysandsteels[J].JMaterSciTechnol,2001,17(1):191192.
[13] HEPeng,FENGJi cai,QIANYi yu.AnalysisofdiffusionbondinterfaceofTiAlbasealloywithTi,TC4alloyand40Crsteel[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology,2000,17(2):7881.
[14] HEPeng,FENGJi cai,QIANYi yu,etal.MicrostructureandstrengthofTiAl/40Crjointdiffusionbondedwithvanadium copperfillermetal[J].TransNonferrousMetSocChina,2002,12(5):811813.
[15] HEPeng,FENGJi cai,ZHANGBing gang,etal.InterfacemicrostructureandformationmechanismofdiffusionbondedjointsofTiAltosteel40Cr[J].TransNonferrousMetSocChina,2002,12(6):10691071.
