简介概要

TiAl/40Cr扩散连接接头的界面结构及相成长

来源期刊：中国有色金属学报2003年第1期

论文作者：冯吉才李卓然何鹏张秉刚

文章页码：162 - 166

关键词：TiAl；扩散连接；界面结构；反应机理；接头强度

Key words：TiAl; diffusion bonding; interface structure; reaction mechanism; joining strength

摘要：在1173~1373K、 0.3~5.4ks的接合条件下对TiAl金属间化合物与40Cr钢进行了真空扩散连接。采用扫描电镜(SEM)、电子探针微区成分分析(EPMA)、 X射线衍射分析(XRD)等方法确定了反应相的种类和界面结构。研究结果表明，在1373K的接合温度下， TiAl/40Cr接头生成了TiC, Ti₃Al, FeAl和FeAl₂4种反应相，形成了3个反应层，界面结构为TiAl/Ti₃Al+FeAl+FeAl₂/TiC/脱碳层/40Cr钢。界面总反应层的厚度随接合温度和接合时间按抛物线方程成长，成长的活化能Q为211.9kJ/mol, 成长常数k₀为4.6×10^－5m²/s。当脆性反应层厚度为3μm时， TiAl/40Cr钢接头的室温拉伸强度达到183MPa的最大值。

Abstract: TiAl intermetallic compound was joined to 40Cr steel by diffusion bonding at the temperature range of 1173~1373K for 0.3~5.4ks in vacuum. Reaction phases and interface structures were investigated by SEM, EPMA analysis and XRD diffraction method. At the bonding temperature of 1373K, four phases of TiC, Ti3Al, FeAl and FeAl2 were established and three layers were formed in the TiAl/40Cr joint, the interface structures were observed as TiAl/ Ti3Al+FeAl+FeAl2/TiC/decarbonized layer/40Cr steel. The total reaction layer grows with the joining time following the parabolic law, the activation energy Q and rate constants k0 for the growth are 211.9kJ/mol and 4.6×10－5m2/s respectively. At the 0.3μm reaction layer thickness of TiC+Ti3Al+FeAl+FeAl2, the maximum strength of the TiAl/40Cr joint is up to 183MPa at room temperature.

中国有色金属学报 2003,(01),162-166 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.01.030

TiAl/40Cr扩散连接接头的界面结构及相成长

冯吉才李卓然何鹏张秉刚

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：

在 1173～ 1373K、0 .3～ 5 .4ks的接合条件下对TiAl金属间化合物与 4 0Cr钢进行了真空扩散连接。采用扫描电镜 (SEM )、电子探针微区成分分析 (EPMA)、X射线衍射分析 (XRD)等方法确定了反应相的种类和界面结构。研究结果表明 ,在 1373K的接合温度下 ,TiAl/ 4 0Cr接头生成了TiC ,Ti3 Al,FeAl和FeAl2 4种反应相 ,形成了 3个反应层 ,界面结构为TiAl/Ti3 Al+FeAl+FeAl2 /TiC/脱碳层 / 4 0Cr钢。界面总反应层的厚度随接合温度和接合时间按抛物线方程成长 ,成长的活化能Q为 2 11.9kJ/mol,成长常数k0 为 4 .6× 10 -5m2 /s。当脆性反应层厚度为 3μm时 ,TiAl/ 4 0Cr钢接头的室温拉伸强度达到 183MPa的最大值。

关键词：

TiAl;扩散连接;界面结构;反应机理;接头强度;

中图分类号： TG453

作者简介：冯吉才(1958),男,教授,博士生导师,博士;

收稿日期：2002-03-11

基金：精密热加工国防科技重点实验室基金资助项目 (99JS61.4.1HK5 5 0 7);

Interface structures and phase growth of TiAl/40Cr diffusion b onded joint

Abstract：

TiAl intermetallic compound was joined to 40Cr steel by diffusion bonding at the temperature range of 1 173～ 1 373 K for 0.3～5 .4 ks in vacuum. Reaction phases and interface structures were investigated by S EM, EPMA analysis and XRD diffraction method. At the bonding temperature of 1 3 73 K, four phases of TiC, Ti 3Al, FeAl and FeAl 2 were established and three layers were formed in the TiAl/40Cr joint, the interface structures were observe d as TiAl/ Ti 3Al+FeAl+FeAl 2/TiC/decarbonized layer/40Cr steel. The total rea ction layer grows with the joining time following the parabolic law, the activat ion energy Q and rate constants k 0 for the growth are 211.9 kJ/mol an d 4.6×10 -5 m 2/s respectively. At the 0.3 μm reaction layer thicknes s of TiC+Ti 3Al+FeAl+FeAl 2, the maximum strength of the TiAl/40Cr joint is up to 183 MPa at room temperature.

Keyword：

TiAl; diffusion bonding; interface structure; reaction mechanism; joining strength;

Received： 2002-03-11

TiAl金属间化合物具有重量轻、高温力学性能好等优点, 在航空航天、汽车等领域有着广泛的应用前景 ^[1,2] 。将TiAl金属间化合物与40Cr钢连接制造发动机涡轮增压机构, 可降低转动惯量, 提高起动性能。但是由于二者的物理、化学性能差别很大, 常规的熔焊方法很难进行焊接, 而钎焊接头在使用中又受到环境温度的限制, 比较合适的方法是扩散连接。目前, TiAl材料性能研究 ^[3,4,5,6] 和TiAl本身的连接有很多报导 ^[7,8,9,10] , 而TiAl与其它材料连接的研究比较少。特别是TiAl与钢扩散连接时, 接头形成了脆性反应相, 使接头强度存在很大的分散性 ^[11,12,13] , 这些反应相的形成机理、反应层的成长规律以及对接头强度的影响等都有待于进行探讨。

1 实验

本试验所用的TiAl金属间化合物的主要化学成分见表1, 40Cr钢的主要化学成分见表2。两种材料均加工成直径10 mm和高30 mm的圆柱, 经研磨、抛光、清洗后做待焊试件。

采用电阻辐射加热的方法在6×10^-3 Pa的真空炉中进行扩散连接, 接合温度范围为1 173～1 373 K, 接合时间为0.3～5.4 ks, 接合压力20 MPa。

将焊好的试件垂直于接合面切开, 经研磨、抛光后采用JEOL773+EPMA电子探针显微镜进行成分分析, 用MM-6大视野光学显微镜和S-570型扫描电镜进行金相组织分析。相结构分析采用PW1700型X射线衍射仪, 反应相的厚度从SEM高倍照片上测量, 其数据取10个不同部位的平均值。利用INSTRON MODEL1186电子万能试验机评价接头的拉伸强度, 并对断口进行分析。

2 结果及讨论

2.1 界面组织分析

图1所示为不同焊接温度下的TiAl/40Cr接头的金相组织。由图1可见, 界面出现了明显的反应层。比较图1(a)和(b)可知, 2种规范下的界面结构及组织形态是不同的。在T=1 173 K时, 连接界面处可以观察到2个反应层, 当接合温度升高及时间延长后, 界面反应更趋激烈, 反应层由2层转变为3层。为了便于分析, 把靠近TiAl侧的灰白色的内有岛状物的层称作Ⅰ层, 中间的亮白色带称作Ⅱ层, 靠近40Cr侧的黑灰色带称作Ⅲ层。

图1 TiAl/40Cr接头的金相组织

Fig.1 Metallographs at TiAl/40Cr joint

(a)—T=1 173 K,t=30 min;(b)—T=1 323 K,t=30 min

表3所列数据为接头界面层成分分析结果。由表3可知, Ⅰ层主要以Ti、 Fe、 Al为主, Ⅱ层为高Ti和高C层, Ⅲ层为高Fe层。图2所示为T=1 373 K、 t=60 min接合条件下的TiAl/40Cr扩散连接接头断口X射线衍射分析结果。由X射线衍射结果并结合前述的能谱分析、 EPMA元素线分析可知, 界面处生成了TiC、 Ti₃Al、 FeAl和FeAl₂4种化合物, 可推断出Ⅰ层为Ti₃Al+FeAl+FeAl₂的混合层; Ⅱ层为TiC层, 是由从40Cr中扩散过来的C和从TiAl侧扩散过来的Ti原子相结合而形成的; Ⅲ层为溶解有少量Al的铁基脱碳固溶层。

2.2 反应相的形成机理及形成过程

TiAl与40Cr钢直接扩散连接界面层的形成及长大过程可分为4个阶段。

1) 物理接触阶段

如图3(a)所示, 该阶段主要是在连接压力的作用下促使表面的微观凸起部分产生塑性变形, 从而达到紧密接触, 并在塑性变形能的作用下使界面区原子处于激活状态, 为随后的扩散做准备。在该阶段原子的扩散程度甚微, 因此无反应层出现。

2) TiC及脱碳层的形成阶段

随着焊接过程的进行, Ti、 Al等元素开始由TiAl侧向40Cr侧扩散, 40Cr侧的Fe、 C元素也开始逆向扩散。由于C的原子半径小, 扩散速度快, 依照反应式(1)在TiAl侧的界面处生成了TiC晶核, 并成长为不连续的TiC层。同时, 由于C的扩散, 使得近界面的40Cr侧的一个微小区域内出现了贫碳现象, 从而在40Cr侧形成了一个脱碳层。此时的界面结构为TiAl/TiC/脱碳层/40Cr钢。

Ti+C→TiC (1)

3) Ti3Al+FeAl+FeAl2层形成阶段

随着40Cr侧脱碳层的不断加宽, Fe原子也不断地向TiAl侧扩散, 由Al-Fe相图可知, 当Fe的固溶度超过极限溶解度后, 便按照反应式(2)及(3)生成了新相FeAl及FeAl₂。同时, 由于TiAl侧的Al原子向40Cr钢侧扩散, 使得近界面处的TiAl依照反应

图3 TiAl/40Cr界面反应层变化示意图

Fig.3 Schematic of interfaces in intermediate layers of TiAl/40Cr

(a)—Physical contact;(b)—Formation of TiC and decarbonized layer;(c)—Formation of Ti₃Al+FeAl+FeAl₂layer;(d)—Growth of reaction layers

式(4)转变为Ti₃Al。从Ti-Al的扩散及二元相图中可以看到, Ti₃Al中Ti的含量(摩尔分数, %)可在22%～49%的范围内变化 ^[14] , 反应式(4)的进行比较容易, 这也是很难得到纯TiAl金属间化合物的原因。这样, 在TiAl侧就形成了一个Ti₃Al+FeAl+FeAl₂的金属间化合物混合层, 界面结构变为TiAl/Ti₃Al+FeAl+FeAl₂/TiC/脱碳层/40Cr钢。

2Al+Fe→FeAl₂ (2)

FeAl₂+Fe→2FeAl (3)

3TiAl→Ti₃Al+2Al (4)

4) 各反应层的成长阶段

在该阶段已经形成的3个反应层, 按照上述反应式进行成长, 相互提供所需的反应元素, 使各层的厚度不断变大。

2.3 反应相的成长规律

图4所示为1 373 K接合条件下各反应层的厚度随接合时间变化曲线。由图可见, 随着连接时间的增长, 各反应层出现不同程度的长大。在3个反应层形成及长大初期, 以脱碳层的长大速度为最快, 这主要是C向TiAl侧优先快速扩散的结果。随接合时间的增长, 特别是在扩散连接的中、后期, TiC的成长受到C及Ti 来源的限制, 即40Cr中的C必须先通过脱碳层才能到达TiC区参与反应, 而从TiAl侧扩散来的Ti元素, 也必须先通过Ti₃Al+FeAl+FeAl₂层到达TiC区的另一侧。由于它们的扩散系数发生了变化, 使TiC的成长发生变化, 在图4中表现为成长曲线出现了转折, 成长速度减慢。同理, 脱碳层的成长速度也发生了类似的变化。而最后出现的Ti₃Al+FeAl+FeAl₂层的长大速度没发生变化。实验结果表明在多元多相系统中, 反应相的生成顺序不同, 新相的出现对既存相的成长速度有影响, 这与SiC/Ti界面反应相的成长规律很相似 ^[15] 。

图5所示为不同连接温度下, TiAl/40Cr界面总反应层的厚度随时间的变化, 由文献 [ 14] 和 [ 15] 可知, 反应层的成长规律可用式(5)和(6)表示。

x²=kt (5)

k=k₀exp[-Q/(RT)]

式中 x—反应层的厚度, m; t—加热时间, s; T—加热温度, K; k—反应层的成长速度, m²/s; k₀—成长常数, m²/s; Q—反应层成长能, kJ/mol; R—气体常数, 8.314 J/(K·mol)。

将实验测得的不同温度、不同时间的反应层总厚度值按文献 [ 14] 和 [ 15] 的统计方法代入式(5)和(6)中进行计算, 可求出反应层的成长能Q和成长常数k₀, 由此可得到TiAl/40Cr钢界面总反应层的成长方程式(公式7), 利用此方程可对界面总反应层的成长进行预测。

x²=4.6×10^-5exp[-211.9/(RT)]t (7)

2.4 反应层厚度对接头强度的影响

脆性化合物层(TiC+(Ti₃Al+FeAl+FeAl₂))厚度对接头性能的影响如图6所示。由图中可知, 接头的拉伸强度随反应层厚度的增长呈“山”形变化, 在厚度为3 μm时强度最高, 并且所有断裂均发生在接头部位, 属脆性断裂。对1 223 K接合温

度下、不同接合时间的断口分析可知, 在连接初期, 界面处局部的微观凸起优先接触而发生塑性变形, 由于有效接触面积较小, 界面接合强度低, 此时反应物还没有形成, 接头的强度主要由低强度的界面所决定。随着连接时间的增长, 界面处的塑性变形逐渐增大, 从而使有效接触面积增大, 焊合率提高, 界面强度比较高, 同时TiC反应层也比较薄, 因而使接头达到了较高的连接强度, 断裂发生在TiC层和脱碳层的连接界面。当厚度超过3 μm以后, 反应进行比较充分, 界面强度虽然很高, 但脆性反应层显著变厚而成为接头的薄弱部位, 再加上接头的应力分布变得更加复杂, 从而使接头强度降低。此时断裂发生在TiC层中。