Ti15Cu15Ni钎焊Ti3Al接头组织研究

潘晖  毛唯

(北京航空材料研究院,北京   100095)

 

摘要:采用扫描电镜和透射电镜对Ti15Cu15Ni钎焊Ti3Al接头的组织进行分析,同时研究钎焊接头的形成过程。结果表明接头由母材、反应层和钎缝构成,反应层为β钛,钎缝组织由Ti2Cu与Ti2Ni化合物相构成。

关键词:钎焊  Ti3Al  Ti15Cu15Ni

 


0          序言

 

高性能、低比重是航空航天永远的追求。Ti3Al金属间化合物合金具有密度小、弹性模量高、抗氧化性好和很好的高温强度、高温韧性及抗蠕变性能,能够满足650℃~700℃的结构应用,替代部分高温合金,而与高温合金相比比重小,用于航空发动机结构件减重效果明显。

Ti3Al金属间化合物扩散连接与熔焊连接工艺方面进行了大量的研究,获得满意的接头,但其钎焊连接工艺研究报道较少(1)。本文采用Ti15Cu15Ni钎焊Ti3Al,对接头组织进行了研究。

 

1          实验材料与方法

 

1.1  实验材料

母材采用北京航空材料研究院研制的第三代Ti3Al基合金(TD3),名义成分Ti-24Al-15Nb-1Mo(at%),锻造状态。

钎料名义成分为Ti-15Cu-15Ni(wt%),采用电弧熔炼炉熔炼,随后制成非晶态针,晶化后磨成粉末。

1.2  实验方法

   采用Ti-15Cu-15Ni钎料真空钎焊TD3合金,钎焊规范为980℃,10min。采用扫描电镜、光谱分析、透射电镜等分析方法对钎焊接头和铸态钎料的组织结构进行分析。

 

2          实验结果与讨论

 

2.1 Ti-15Cu-15Ni钎焊Ti3Al接头组织

Ti-15Cu-15Ni钎焊Ti3Al基合金接头组织见图1,由母材、反应层及钎缝构成,各区域及相成分分析结果见表1。母材组织见图2,据其成分可见由初生α2相(5相)和β转变组织(6相)构成。反应层分为两层(见图1),近母材浅色带(1区)和近钎缝的深色带(2区),由母材至钎缝,Ti、Cu、Ni含量增加,Al、Nb含量减少,反应层透射电镜形貌与衍射斑点见图3、图4,均为β钛。钎缝组织由浅色低镍含量的化合物相和深色高镍含量化合物相构成,根据其成分结合相图判断,低镍含量的化合物相为含镍及铝、铌的Ti2Cu,高镍含量化合物相为含铜及铝、铌的Ti2Ni,透射电镜下详细形貌见图5(高镍含量1、低镍含量2)。

6 

     

          1

2

      3

                   4  

             

 

 

 

 

 

 

 

1钎焊Ti3Al接头背散射像

Fig.1 Backscatterred electron image of Ti3Al joint

2  母材组织背散射像

Fig2 Backscatterred electron image of base metal

   

(a) TEM morphology     (b)Electron diffraction patten

3近母材反应层组织结构

Fig.3 Microstructure in action zone near base metal

      

(a) TEM morphology    (b)Electron diffraction patten

4 近钎缝区反应层组织与衍射斑点

Fig4 Microstructure in action zone near braze metal

 

1

   1

 

 

 

2

 

 

5钎缝区组织

Fig.5 Microstructure in braze metal


1  钎焊接头各相化学成分,at%

Table 1 Chemical composition of phases in braze joint

分析部位

Ti

Cu

Ni

Nb

Al

相组成

1中1区

630.5

3.45

2.93

12.29

18.27

β

1中2区

71.56

5.84

4.81

4.21

10.58

β

Ni、Al、Nb的Ti2Cu

5中2相

62.42

19.99

12.52

1.91

3.09

5中1相

2中5相

60.45

65.93

8.16

27.09

1.76

10.68

2.53

Cu、Al、Nb的Ti2Ni

α2

23.39

2中6区

61.28

Mo:2.08

 

16.27

20.38

β转变组织

 


2.2  钎缝形成过程研究

Ti15Cu15Ni (wt%)即Ti12Cu13Ni (at%)钎料,成份在Ti2Cu、Ti2Ni与β-Ti三相区内(见图6[2])。钎料的平衡状态结晶过程见图7[2]所示,应首先结晶少量β-Ti,很快液相成分至PE线上,进行包晶反应L+Ti→Ti2Cu,或直接结晶产生Ti2Cu,液相成分沿PE线至E点,进行四元共晶反应产生L→Ti2Cu+Ti2Ni+Ti,结晶结束产生Ti2Cu、Ti2Ni与β-Ti三相。

6 CuNiTi 870℃平衡状态等温截面图

6 CuNiTi 870℃ Temperature of invariant reaction

 

7 CuNiTi液相投影图

Fig.7 CuNiTi liquidus projection

实际钎料组织二次电子像见图8,透射电镜像见图9。由于钎料合金块小,为20g电弧熔炼的纽扣锭,冷却速度快,造成不平衡结晶,合金组织与平衡状态相图相差较大,直接生成β相(深色1相)和Ti2Cu与Ti2Ni(浅色2处)三元伪共晶组织,1相的衍射斑点见图9,2处浅色基体为含镍的Ti2Cu,其上黑色花纹为含铜的Ti2Ni

8 Ti15Cu15Ni钎料二次电子像

Fig.8 SEM morphology of Ti15Cu15Ni

 

  (a) TEM morphology    (b)Electron diffraction patten

9  钎料组织结构

     Fig.9 Microstructure in filler metal

   7可见,钎焊时980℃,低熔点组分钎料熔化,可能发生NiTi2+TiLe1E)和CuTi2+NiTi2L二元共晶反应(e2E), CuTi2L+Ti二元包晶反应(pE),及CuTi2+NiTi2+TiL三元共晶反应(E)(二元共晶点e1e2及二元包晶点p 反应温度分别为943[3]930[2]991[3],三元共晶E点小于910[2]。熔化的钎料,毛细作用下填入钎缝,而高熔点组分钎料残留于钎角。由于液态钎料与母材成分存在较大差异,钎缝钎料中的Cu、Ni向母材扩散,造成熔点升高,沿母材晶粒外围生长结晶为β相(图1反应层中的深色带),同时母材中的Nb、Al向钎缝中扩散,造成铝含量降低,由于α2相(Ti3Al)稳定存在22at%Al36at%Al之间[4],因此当Al22at%时,发生固态相变,生成β相(图1反应层中的浅色带),这两种β相构成反应层。在随后的冷却过程中剩余液态钎料凝固结晶,形成钎缝

10  钎焊接头形成过程

Fig.10 Production of braze joint

3          结论

 

Ti15Cu15Ni钎料钎焊Ti3Al接头,钎料与母材相互作用形成接头,接头由母材、反应层和钎缝构成,母材为初生α2相和β转变组织构成,反应层为β钛,钎缝由高镍的和低镍的钛铜镍化合物相构成。

参考文献

[1]李世琼.“航天运载火箭发动机用Ti3Al基合金研究”项目成果简介[J].科学导报,.20012月第15卷第2:10-11.

[2]P.Villars,A. Primce&H.Okamoto,Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams Vol.8[M].ASM International,1995:9846~9861.

[3]虞觉奇,易文质,陈邦迪等编译。二元合金状态图集[M].上海:上海科学技术出版社,1987,10:496。

[4]张永刚,韩雅芳,陈国良.金属间化合物结构材料[M].国防工业出版社,20011:144


Microstructures of Ti3Al Joint Brazed with Ti15Cu15Ni filler

 

Pan Hui, Mao Wei

( Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095)

 

Abstract: Braze joints in Ti3Al were made using Ti-15Cu-15Ni filler metal. TEM and SEM analysis results indicated that joints consisted of base metal, braze metal and chemosmosis strip. The strip phase was beta titanium. The structure of braze metal consisted of compounds made up of nickel, titanium and copper, in which nickel is more or lesser.

 

作者简介:潘晖(1969-),女,高工,主要从事材料的钎焊和扩散焊工艺研究。