铝-钛异种金属焊接技术

铝/钛异种金属焊接技术异种材料复合构件能够最大限度利用材料各自的优点，起到“物尽其用”的效果，获得更好的经济效益和社会效益[1]。铝/钛异种金属复合结构同时兼有铝合金密度低、经济性好和钛合金强度高、耐腐蚀性好等优点，能够减轻结构重量、节约能源，在航空航天、武器装备、交通运输等领域拥有广阔的应用前景，飞机机舱散热片、机翼蜂窝夹层、座位导轨和高速列车车厢等结构均可采用铝/钛复合结构[2]。特别是近年来，随着航空发动机和飞机结构设计对“减轻重量、提高推重比、增加有效载荷”的要求越来越高，将铝合金与钛合金焊接形成复合结构的需求越来越迫切。但是，由于铝、钛都是活性金属、极易氧化，且两者之间的物理、机械性能存在较大差别，如两者的熔点相差约800℃，两者的晶格类型、晶格参数等结晶化学性能差异很大，铝的热导率和线膨胀系数分别是钛的16倍和3倍。因此铝/钛异种金属的焊接性很差，接头的强度不能满足要求，铝/钛异种金属的焊接既是热点也是难点，目前还没有一种成熟的工艺可以用于实际生产[3]。铝/钛异种金属焊接技术现状目前，国内外主要对铝/钛异种金属的钎焊、扩散焊、熔-钎焊、爆炸焊等连接方法进行了探索。康慧等[4]以Al-11.5Si合金为基,通过添加不同含量的Sn和Ga元素配置成9种钎料对LF21铝合金和TC4钛合金进行了真空钎焊，结果表明：在结合界面上生成层状脆而硬的脆性相是铝/钛钎焊时所存在的主要问题；在钎料中加入Sn和Ga元素可有效抑制脆性相的形成、改善接头性能；当Sn和Ga元素含量分别为10%和0.2%时接头的剪切强度达到67MPa。曲文卿等[5]采用高频感应钎焊进行了钛合金管与铝合金管的连接，由于加热时间短、脆性相来不及产生，因而获得了力学性能和密封性能较好的接头。吕世雄等[6]采用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法也实现了TC4钛合金/LF6铝合金的连接。采用扩散焊方法能够在一定程度上克服铝/钛焊接时熔点相差较大的问题，因此国内外学者进行了较多的研究。Yao等[7]研究了铝/钛扩散焊接头形成机理和焊接工艺对LF6铝合金/TA2纯钛异种材料扩散焊接头强度的影响规律，接头最高剪切强度为83MPa。Sohn等[8]采用Al-10Si-1Mg箔片作为中间层，对纯钛和纯铝进行了液相扩散连接，其界面结构和元素分布如图1所示，研究结果发现接头中存在Ti7Al5Si12连续金属间化合物反应层和不连续的Al12Si3Ti5金属间化合物，并认为Si元素可抑制界面反应、减少金属间化合物，接头剪切强度最高为80MPa。Lee等采用Al-10Si-Mg箔片作为夹层在580~640℃范围内对铝/钛异种金属进行液相扩散连接时发现：接近钛合金一侧的界面反应层为Ti7Al5Si12，接近铝合金一侧为Ti9（AlSi）23，随着温度的升高Ti7Al5Si12的厚度减小。Ren等[通过对钛合金表面渗铝的方法实现了铝/钛的扩散连接，接头强度可达180MPa，图2（a）和（b）分别为扫描电镜下观察到的Ti/Al扩散焊接头界面附近的显微组织，可见Ti/Al扩散焊接头区由钛侧过渡区、渗铝层、铝侧过渡区组成，钛侧过渡区在扩散焊后形成了一层白亮合金层（厚度约3~10μm），经判定被认为是TiAl3和TiAl金属间化合物。由于铝/钛异种金属焊接的难度较大，研究者尝试了“熔-钎焊”这种新技术。Nesterow等[11]进行了铝合金管与钛合金管对接的电弧熔-钎焊技术研究，解决了热裂纹缺陷的问题。德国不莱梅应用射线研究所采用激光熔-钎焊技术使搭接接头下方的铝合金熔化后与钛合金形成钎焊接头，实现了0.8mm厚Ti-6Al-4V与1mm厚AlMg0.4Si1.2铝合金的搭接连接[12]。哈尔滨工业大学陈彦宾课题组选用Al-12Si焊丝作为填充材料对铝/钛异种金属的激光熔-钎焊进行了深入研究，实现了厚度为1.5mmTi-6Al-4V钛合金和5056铝合金板材的连接，获得了焊接成形良好的接头（如图3所示），其抗拉强度可达铝合金母材的80%。北京工业大学的肖荣诗等对铝/钛激光深熔钎焊工艺及接头力学性能进行了研究，可以实现铝/钛异种合金的焊接，但在焊接过程中热输入量的控制较难，易造成焊缝上、下部分的中间钛合金层熔化，与液态的铝合金发生剧烈反应，生成金属间化合物，对接头的力学性能造成一定的负面影响。日本大阪大学Fuji等对铝/钛的惯性摩擦焊率先开展了深入研究，认为脆性相的厚度决定了接头的力学性能，脆性相的最大临界厚度为5μm。西北工业大学傅莉等采用电磁场作用下的摩擦焊实现了铝/钛的连接。此外，研究者还采用激光焊、电阻焊等方法对铝/钛的焊接进行了探索。搅拌摩擦焊技术在铝/钛异种金属连接中的应用搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接方法，基本不受被焊材料的物理化学性能、机械性能、晶体结构等的影响，对于克服材料性能差异导致的焊接困难具有极大的优势，从2009年开始，国外有些学者开始采用搅拌摩擦焊来连接铝/钛异种金属。Chen等[20]采用搅拌摩擦焊技术实现了纯钛和Al-Si合金的搭接连接，观察了接头的微观组织、相结构，测试了接头的性能，结果表明，焊接接头的强度达到Al-Si合金母材的62%，焊接接头界面区形成了TiAl3相。Dressler等[21]采用搅拌摩擦焊技术实现了Ti-6Al-4V钛合金和2024-T3铝合金的对接焊，如图4所示，焊接接头的抗拉强度达到铝合金母材的73%。本文作者对LF6铝合金/TC1钛合金异种材料搅拌摩擦焊搭接和对接接头的微观组织结构和性能进行了研究[22-23]。采用搅拌摩擦焊对TC1钛合金和LF6铝合金异种金属进行了搭接连接，当搅拌头旋转速度为1500r/min、焊接速度为60mm/min时，能获得焊缝成形良好、无孔洞和裂纹等缺陷的搭接接头（如图5和6所示），搭接处铝合金和钛合金充分混合，形成焊核区。焊核两侧进入铝合金中的钛合金在搅拌针的挤压下发生了弯曲，使得钛/铝紧密结合。搭接接头中心部位的搭接界面区呈层状组织（见图7），可分为3层：靠近焊核和靠近钛合金母材一侧的均为黑白相间的条带状组织，含有焊接过程中生成的Ti-Al金属间化合物；夹在中间的为黑色片状组织和灰色基体上分布黑色颗粒的条带状组织，分别是被搅入界面区的钛合金母材和钛合金母材与铝合金母材的机械混合物。对于TC1钛合金/LF6铝合金异种金属搅拌摩擦焊的对接焊，当搅拌头的旋转速度为750r/min、焊接速度为118mm/min、搅拌头倾角为2°时能够获得较好的焊缝成形（图8）。搅拌摩擦焊接头中钛合金母材与焊核的界面凸凹不平、边界线处存在白亮的颗粒，而铝合金母材与焊核的界面光滑、平整，结合良好；焊核区组织为铝合金基体上分布着大小不等的颗粒（图9）。在扫描电镜下观察，焊核区铝合金基体上分布的颗粒有两种类型，一种颗粒的尺寸较小、呈细长条状；另一种颗粒尺寸较大，整体呈暗灰色、边缘有少量发亮的条带。能谱分析结果表明两种颗粒中均有Ti-Al金属间化合物存在。钛合金/铝合金异种材料焊接时搅拌头的磨损很严重，在焊核和铝合金母材的边界存在搅拌头磨损后脱落的颗粒。上述研究表明，由于铝、钛的活性均较强，铝/钛搅拌摩擦焊和钎焊、扩散焊类似，在接头中也会形成多种Ti-Al金属间化合物，使得焊缝变脆、强度降低。当工艺参数不恰当时，在焊接过程中会出现开裂。焊接接头中脆性相的硬度较高，一方面对搅拌头造成严重的磨损、影响焊接质量的稳定性和搅拌头寿命；另一方面，焊缝中的缺陷也往往是由于脆性相粘着在搅拌头上、对焊缝塑性金属的流动造成不利影响而产生的。因此，对于铝/钛异种金属的搅拌摩擦焊，目前接头强度还无法实现与铝合金母材等强。但试验中同时发现，搅拌摩擦焊不同于钎焊、扩散焊，脆性相不是处于材料的连接界面上，而是在搅拌针作用下随塑性金属的流动而分布在焊缝的不同位置。结束语铝/钛异种金属的焊接性较差，其焊接既是热点也是难点，目前还没有一种成熟的工艺可以用于铝/钛异种金属的焊接，搅拌摩擦焊作为一种新型的固态连接方法在铝/钛异种金属连接方面具有很好的前景，但焊接过程中也会不可避免地形成脆性相，造成接头性能不高，同时对搅拌头造成严重的磨损、影响焊接质量的稳定性和搅拌头寿命。因此，有必要研究铝/钛异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的形成机理、分布规律及其与接头性能的相关性，并采取相应的措施控制脆性相的形成与分布，为提高接头的强度和质量稳定性奠定基础。