鈦及鈦合金具有低密度、高強度、良好的耐熱性和耐腐蝕性等優(yōu)點，是一種綜合性能優(yōu)異的金屬結(jié)構(gòu)材料 [1] ，廣泛應(yīng)用于航天航空、電力、生物醫(yī)療、石油化工等領(lǐng)域 [2] 。焊接是鈦合金連接中最常見的方式之一。由于鈦及鈦合金的化學(xué)活性大，易被氧氣、氮氣、氫氣污染，無法采用焊條電弧焊、氧乙炔（或氧丙烷等）氣焊、CO2焊、原子氫焊等方式焊接。目前，鈦及鈦合金與其他材料的主要焊接方法有氬弧焊、電阻焊、釬焊、激光焊、電子束焊、摩擦焊等 [3-4] 。釬焊具有釬焊工件變形量小、釬焊溫度低、焊接變形小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，且在加工過程中采用釬焊方式可以有效控制焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的精密成形，因此釬焊是一種連接鈦及鈦合金自身以及其他材料的有效方法 [5] 。
鈦及鈦合金釬焊料的選擇對釬焊效果和接頭質(zhì)量具有重要影響。用于鈦及鈦合金釬焊的釬料包括銀基釬料、鈀基釬料、鋁基釬料、鈦基釬料 4 大類。鈦基釬料是鈦基材料和其他高溫材料釬焊連接最主要的材料之一，具有潤濕性能好、耐腐蝕性好、高溫強度高等特點。本文分析概括了常用的鈦及鈦合金釬焊料，歸納總結(jié)了鈦及鈦合金釬焊料的特點，系統(tǒng)介紹了鈦及鈦合金與其他材料釬焊的應(yīng)用，最后展望了鈦及鈦合金釬焊技術(shù)的發(fā)展方向。
1、 鈦及鈦合金釬焊料的分類
國內(nèi)外學(xué)者已廣泛研究了鈦及鈦合金釬焊所用的釬焊料，主要包括銀基、鈀基、鋁基、鈦基釬料等。研究主要圍繞釬料的特性﹑釬焊工藝以及釬料組分對接頭界面組織及力學(xué)性能的影響、釬焊接頭斷裂特性和釬料設(shè)計新方法等方面展開 [6] 。
銀基釬料是在銀合金的基礎(chǔ)上加入銅、鋅、錫、鎘等合金元素 [7] ，包括純 Ag、Ag-Cu [8-9] 、Ag-Cu-Zn [10] 、Ag-Cu-Sn [11-12] 、Ag-Cu-Ti [13-14] 、Ag-Cu-Ni [15] 、Ag-Sn-Ti、Ag-Cu-Ti-B [16] 、Ag-Cu-Sn-N [17-18] 、Ag-Cu-Ti-In [8] 系釬料等，具有熔點較低、潤濕性能良好、強度高、塑性好、韌性強等優(yōu)點，已經(jīng)成為應(yīng)用較為廣泛的硬釬料，能夠用于釬焊大部分黑色和有色金屬（除鋁、鎂、低熔點合金等），其應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車制造、家用電器、電力能源、超硬工具等 [19-20] 。GB/T 10046—2008《銀基釬料》中規(guī)定了若干種銀基釬料的牌號。生產(chǎn)上常用的銀基釬料化學(xué)成分及釬焊溫度如表1所示。
鈀基釬料的熔化溫度較高，耐腐蝕性能較好，適用于高溫釬焊，且高溫下獲得的釬焊接頭強度高，能夠釬焊耐熱合金、難熔金屬、金屬與石墨、陶瓷與金屬等 [21-22] 。鈀基釬料已廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、夜視系統(tǒng)、核能、導(dǎo)彈等多個領(lǐng)域。將鈀基釬料按照用途分類，可分為電子工業(yè)分級釬焊用釬料、高溫耐熱型釬料和特殊性能釬料三類；按照釬料組成分類，可分為Pd-Ni、Pd-Cu、Pd-Au、Pd-Ag、Pd-Co、Cu-Ag-Pd、Ni-Pd-Cr、Ni-Pd-Mn、Ag-Pd-Mn等合金釬料。目前，我國已經(jīng)制定了鈀基釬料的專用標(biāo)準(zhǔn)。
表2 列出了常用鈀基釬料的化學(xué)成分和熔化溫度。
鋁基釬料主要包括純 Al、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu 系等 [23] ，其中 Al-Si 釬料憑借其較好的鋪展性、潤濕性、耐腐蝕性和可加工性，應(yīng)用最為廣泛 [24] 。與銀基釬料相比，鋁基釬料的釬焊接頭性能較好，但鋁基釬料熔點較高，在釬焊過程中加熱溫度與釬焊溫度接近，會導(dǎo)致母材出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象 [25-26] ，因此需要在釬焊過程中嚴(yán)格控制加熱溫度。在鋁基釬料中添加Ni、Cu、Mg、Zn 等元素可獲得不同溫度與性能的釬料 [27-29] 。
表3給出了常用鋁基釬料的化學(xué)成分和熔化溫度。
鈦基釬料潤濕性能好，釬焊接頭耐腐蝕、高溫強度高、性能穩(wěn)定，可得到性能優(yōu)異的釬焊接頭。鈦基釬料中的 Ti 元素能夠給釬料提供活性，Cu、Ni 作為降低熔點元素與 Ti 元素結(jié)合 [30-31] ，同時在釬料中加入與 Ti 位于同一副族且互溶的 Zr 元素可進(jìn)一步降低熔點，也可提高非晶形成能力和潤濕性 [32] 。另外，在釬料中加入Co、Nb、Mo、V、Be 等合金元素可有效降低熔化溫度、抑制金屬間化合物形成及有害元素擴(kuò)散，從而得到高性能的特種鈦基釬料 [33] 。目前，已開發(fā)的鈦基釬料有Ti-Cu-Ni、Ti-Cu-Be、Ti-Zr-Cu、Ti-Zr-Be、Ti-Zr-Ni-Be、Ti-Zr-Cu-Ni 等系列，其化學(xué)成分、熔化溫度及釬焊溫度見表 4。
利用銀基釬料釬焊鈦及鈦合金時，得到的釬焊接頭耐腐蝕性能和抗氧化性較差，且銀金屬和鈦金屬二者線膨脹系數(shù)相差較大，導(dǎo)致釬焊接頭在應(yīng)力作用下極易出現(xiàn)裂紋，一定程度上影響了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。鈀價格昂貴，成本較高，且部分鈀基釬料有毒，因此將貴金屬鈀作為釬料應(yīng)用的較少。鋁基釬料不僅熔點較高，還存在釬焊接頭耐腐蝕性差、脆性較大、強度較差等缺陷。與銀基、鈀基、鋁基釬料相比，鈦基釬料的釬焊接頭性能更好，且強度、耐腐蝕性、耐熱性均較好，是釬焊鈦合金與其他材料的最佳選擇。
2、 釬焊技術(shù)
釬焊要求釬料的熔點低于母材固相線溫度，且釬焊溫度至少超過釬料液相線 25 ℃ [34-35] ，具體主要分為兩步：一是液態(tài)釬料填充進(jìn)縫隙的過程；二是熔化后的釬料與基材相互擴(kuò)散發(fā)生冶金結(jié)合的過程。釬焊主要有以下優(yōu)點 [36-37] ：① 精度高，構(gòu)件各部分變形量小，受熱均勻，適用于精密小巧的構(gòu)件連接；② 可根據(jù)母材的熔點設(shè)計出合適的釬料；③ 生產(chǎn)效率高，可以完成許多其他焊接技術(shù)無法完成的工作；④ 對于不同種類材料焊接件的連接具有較大優(yōu)勢。
鈦基釬料的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 70 年代，發(fā)展初期應(yīng)用于熱交換器、自行車架等釬焊中，目前已廣泛應(yīng)用于金屬、石墨、陶瓷及復(fù)合材料的釬焊中。
2.1 鈦及鈦合金的釬焊連接
TiAl、TC4、TC17 等鈦合金性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中 [38] 。通過釬焊異質(zhì)鈦合金可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，在制造復(fù)合材料部件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
Ren 等人[39] 使用新型釬焊填料 Ti-(20~24)Ni-(13~16) Nb-(9~12) Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)釬焊 Ti2AlNb 合金與TiAl 金屬間化合物，釬焊溫度為 1000 ℃，保溫時間分別為 5、10、15 min。對釬焊接頭進(jìn)行了剪切試驗以及納米壓痕試驗，并研究了釬焊保溫時間對釬焊接頭顯微組織與力學(xué)性能的影響。研究表明，隨著釬焊保溫時間的增加，Ti2Ni 相的數(shù)量先減少后增加，Ti3Al 相的平均晶粒尺寸先增大后減小，保溫時間為 15 min 時釬焊接頭抗剪強度達(dá)到最大（271 MPa），并且釬焊接頭內(nèi)的硬質(zhì) Ti2Ni 相有利于提高釬焊接頭的強度。
Du 等人 [40] 使用 TiZrCuNi 合金粉末真空釬焊 TC17和 Ti2AlNb 合金，研究了釬焊溫度對釬焊接頭顯微組織、力學(xué)性能與剪切過程中應(yīng)力分布的影響。釬焊溫度升高時金屬間化合物（IMC）逐漸消失，當(dāng)釬焊溫度升高到970 ℃時，釬焊界面由均勻的 β 固溶體組成。此外，隨著釬焊溫度升高，釬焊接頭抗剪強度增大，當(dāng)釬焊溫度為 970 ℃時釬焊接頭抗剪強度達(dá)到最大值 529 MPa。
Liang 等人 [41] 采用 Ti-38Zr-24Ni（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）釬料真空釬焊 TC4 鈦合金，釬焊溫度為 930 ℃，保溫時間為 10 min，釬焊間隙從 0 到 200 μm 不等。當(dāng)釬焊間隙較窄時，釬焊接頭中存在2個反應(yīng)區(qū)，分別為擴(kuò)散區(qū)和界面區(qū)（圖 1a）；當(dāng)釬焊間隙較寬時，釬焊接頭中存在3 個反應(yīng)區(qū)，分別為擴(kuò)散區(qū)（Ⅰ區(qū)）、界面區(qū)（Ⅱ區(qū)）和中心區(qū)（Ⅲ區(qū)）（圖 1c）。釬焊接頭顯微組織及主要元素分布如圖1所示，擴(kuò)散區(qū) A1 、A2 、E1 、E2由共晶結(jié)構(gòu)α -Ti、(Ti,Zr)2Ni 和殘余基金屬組成，界面區(qū) B1、B2、F1、F2由共晶結(jié)構(gòu)(Ti,Zr)2Ni 和 α -Ti 組成，中心區(qū) C1-C 5 由大塊脆性的(Ti,Zr)2Ni 金屬間化合物和大量的共晶結(jié)構(gòu)(Ti,Zr)2Ni 和 α -Ti 組成。隨著釬焊間隙的增大，焊縫寬度
和中心區(qū)寬度增大，同時，由于中心區(qū)脆性(Ti,Zr)2Ni金屬間化合物的增加，釬焊接頭的抗剪強度先增大后減小。當(dāng)釬焊間隙為 0 μm，時釬焊接頭抗剪強度達(dá)到最大值 872 MPa。
2.2 鈦及鈦合金與 C/C 復(fù)合材料的釬焊連接
C/C 復(fù)合材料與石墨相比密度更低，強度更高，耐磨損性能更好，廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域。
目前，C/C 復(fù)合材料自身以及與異種金屬材料的連接主要采用釬焊。
宋忻睿等人 [42] 使用 TiCuZrNi 作為釬料釬焊 C/C 復(fù)合材料與 Ti6Al4V 合金，并在釬料中分別添加碳納米管、石墨顆粒、石墨烯微片，分析了釬焊溫度和保溫時間對釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。圖2為不同釬焊溫度下C/C復(fù)合材料與Ti6Al4V合金釬焊接頭的界面形貌。圖3為不同釬焊保溫時間下 C/C 復(fù)合材料與Ti6Al4V 合金釬焊接頭的界面形貌。當(dāng)釬焊溫度較低時，C/C 復(fù)合材料與釬料的連接界面處沒有形成 TiC 反應(yīng)層，當(dāng)保溫時間較短時，TiC 反應(yīng)層呈不連續(xù)狀，焊縫中的 Ti 固溶體（Ti ss ）含量較少；而當(dāng)釬焊溫度較高或者保溫時間較長時，TiC 反應(yīng)層變厚，焊縫中的 Ti ss 相含量增多。釬焊溫度為 940 ℃，保溫時間為 10 min 時，釬焊接頭抗剪強度達(dá)到最大值（22.3±3.5）MPa。釬焊溫度和保溫時間適中時，斷裂部位主要在 C/C 復(fù)合材料中；釬焊溫度和保溫時間不合適時，斷裂部位主要在 TiC層中。
Li等人 [43] 使用新型釬焊填料Ti-Ni-Si釬焊C/C復(fù)合材料與TiAl 合金，釬焊溫度為1060 ℃，保溫時間為10 min，研究了添加 Cu 中間層對釬焊接頭結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)僅使用 TiNiSi 釬料時，釬焊接頭生成大量脆性的金屬間化合物，導(dǎo)致連接失敗；當(dāng)加入 Cu 中間層時，C/C 復(fù)合材料與 TiAl 合金完全連接，有效調(diào)節(jié)了界面結(jié)構(gòu)，提高了釬焊接頭強度。在室溫下，釬焊接頭平均抗剪強度為18.8 MPa，最大抗剪強度為 23.6 MPa。
2.3 鈦及鈦合金與不銹鋼的釬焊連接
鈦合金/不銹鋼復(fù)合構(gòu)件具有耐腐蝕性良好、輕量化和高比強度等特點，在工程上有著巨大的應(yīng)用潛力。鈦基釬料是釬焊鈦合金與不銹鋼的最佳釬料之一，目前所使用的鈦基釬料包括Ti-Zr-Cu、Ti-Cu-Ni 和Ti-Zr-Cu-Ni 體系。Xia 等人 [44] 使用 Ti 33.3 Zr 16.7 Cu 50-x Ni x 非晶填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 316L 不銹鋼，研究了 Ni 含量對釬料潤濕性以及對釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在釬料中添加 Ni 降低了釬料的潤濕性能，從而使得焊縫變厚，當(dāng) Ni 原子分?jǐn)?shù)為 11%時釬料潤濕性最差，但此時釬焊接頭的抗剪強度達(dá)到最大值 318 MPa。
Xia 等人 [45] 使用 Ti 50-x Zr x Cu 39 Ni 11 非晶填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 316L 不銹鋼，設(shè)定釬焊溫度為960 ℃，釬焊時間為 10 min，研究了 Zr 含量對釬料潤濕
性以及對釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Zr 含量相同時，相較于 316L 不銹鋼，釬料在 TC4鈦合金側(cè)的擴(kuò)散面積整體較大，能更好地潤濕 TC4 鈦合金；當(dāng) Zr 含量逐漸增加時，釬料在兩種基體上的擴(kuò)散面積均先增大后減小，同時釬焊接頭的抗剪強度也先增大后減小；當(dāng) Zr 含量為 22.2%（原子分?jǐn)?shù)）時釬焊接頭的抗剪強度達(dá)到最大值 238 MPa。
Xia 等人 [46] 使用 Ti-Zr-Cu 非晶態(tài)填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 316L 不銹鋼，研究了釬焊溫度和保溫時間對釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。釬焊接頭的316L不銹鋼側(cè)生成了TiFe/(Fe,Cr)2Ti/σ-相＋Fe ss （Fe固溶體）三層薄反應(yīng)層，這些脆性金屬間化合物的形成影響了釬焊接頭的力學(xué)性能。釬焊接頭的抗剪強度隨著釬焊時間的增加先升高后降低，而當(dāng)釬焊溫度升高時，釬焊接頭的抗剪強度持續(xù)提高，在 950 ℃下保溫 10 min時釬焊接頭的抗剪強度達(dá)到最大值 65 MPa。
2.4 鈦及鈦合金與陶瓷的釬焊連接
陶瓷材料因其高溫性能好、耐腐性能好、強度高等優(yōu)點，在與塑性高、韌性好的金屬材料連接中得到了廣泛應(yīng)用，但由于陶瓷硬度較高，有較大脆性，因此將陶瓷和鈦合金釬焊連接在發(fā)揮兩者共有優(yōu)勢的同時也存在一些難點，主要難點是減少陶瓷的脆性以及提高陶瓷表面氧化物的潤濕性能等，其解決方法通常是在釬料中添加適量活性元素或采用特殊釬料。目前，與鈦及鈦合金釬焊連接的陶瓷材料有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等。Hu 等人 [47] 使用 Ti-Zr-Ni-Cu 釬料真空釬焊連續(xù)碳纖維增強鋰鋁硅酸鹽玻璃陶瓷基復(fù)合材料（Cf/LAS 復(fù)合材料）與 Ti60 合金，研究了釬焊溫度對釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。當(dāng)釬焊溫度升高時，界面組織隨之發(fā)生明顯變化，Cf/LAS 復(fù)合材料與中間層之間的帶狀Ti 固溶體和反應(yīng)層的厚度逐漸增大，同時，釬焊接頭的力學(xué)性能也隨之先升高后降低。當(dāng)釬焊溫度為 950 ℃、保溫時間為 10 min 時，釬焊接頭抗剪強度達(dá)到最大值38.13 MPa。釬焊接頭的斷裂路徑會隨著釬焊溫度的升高而發(fā)生變化。
Liang 等人 [48] 使用 Ti 35 Zr 25 Be 30 Co 10 非晶態(tài)填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 ZrO2陶瓷，研究了釬焊溫度、保溫時間以及反應(yīng)層厚度對釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬焊溫度較低、保溫時間較短時，鈦氧化層以島狀生長方式生長；當(dāng)釬焊溫度較高、保溫時間較長時，鈦氧化層先呈現(xiàn)不連續(xù)的島狀，然后變?yōu)檫B續(xù)狀，其厚度不斷增加；當(dāng)鈦氧化層變?yōu)檫B續(xù)狀且厚度不再增加時，釬焊接頭抗剪強度達(dá)到最大值 180 MPa。鈦氧化層過厚時會導(dǎo)致釬焊接頭發(fā)生脆性斷裂。
從上述鈦及鈦合金釬焊研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬焊連接鈦及鈦合金時，釬焊接頭性能較好且無明顯薄弱位置，這是由于兩側(cè)母材具有相容性，并且金屬間化合物的組成元素逐漸擴(kuò)散到釬焊接頭中，最終釬焊接頭組織主要由 Ti 基固溶體組成。當(dāng)釬焊鈦合金與不銹鋼時，得到的釬焊接頭抗剪強度較大，而與石墨、C/C 復(fù)合材料及陶瓷焊接時，抗剪強度較小。分析認(rèn)為，釬焊接頭性能主要受脆硬性金屬間化合物的影響，如何有效減少焊縫組織中金屬間化合物的含量是提高釬焊接頭強度的關(guān)鍵。
3、 結(jié) 語
鈦及鈦合金與異種材料釬焊連接有助于結(jié)合兩種材料的優(yōu)點，獲得強度高、高溫性能好的結(jié)構(gòu)件。為獲得性能更加優(yōu)異的鈦合金連接構(gòu)件，未來發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面。
(1) 研究和開發(fā)實用性強、成本低的新型活性釬料，開展在鈦基釬料中添加各種合金元素的研究，以提高釬焊接頭性能，減少脆硬性金屬間化合物的生成。
(2) 優(yōu)化鈦合金釬焊工藝，合理控制釬焊工藝參數(shù)，以改善釬焊接頭的高溫強度和耐腐蝕性。
(3) 利用計算機(jī)輔助工程（CAE）仿真技術(shù)建立鈦合金釬焊過程模型，以優(yōu)化釬焊工藝參數(shù)和釬料成分，分析釬焊接頭組織演化過程。該方法能夠在很大程度上縮減實驗周期和實驗量，為鈦及鈦合金釬焊的實際應(yīng)用提供理論支持。
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