引言

隨著科技的發展及人們對生活質量要求的日益提高，對輕質、高強材料的需求愈發迫切。鈦合金因其具有比強度高 [1-2]、低彈性模量 [3]、低密度 [4-5] 及良好的耐蝕性 [6] 等特性，在航空航天 [7-8]、石油工業 [9] 和船舶 [10] 等領域應用愈發廣泛，受到行業高度青睞。

某型航空發動機整流器作為航空發動機關鍵組成部件，其材料選用TC1鈦合金，核心功能為實現氣流的調控，要求焊接接頭需具備較高強度，且能承受大的交變應力作用而不產生裂紋等缺陷的能力，因此對焊接質量要求很高；此外鑒于該整流器具有復雜的薄壁結構，傳統氬弧焊、激光焊等方法容易引發難以控制的焊接變形，導致零件尺寸精度無法滿足設計要求，最終影響發動機的工作性能。

經綜合考量TC1鈦合金的焊接特性及整流器結構，在現有技術條件下，真空釬焊整流器是最合適的焊接方法。但目前對于TC1鈦合金真空釬焊方面的研究相對較少，為此，本課題通過對TC1鈦合金真空釬焊工藝及其性能進行探索，為整流器的真空釬焊奠定了科研基礎。

1、試驗條件

1.1 試驗用基材

所選用的基材為TC1鈦合金，其成分見表 1。

表 1TC1鈦合金化學成分 (質量分數) 單位:%

元素	Al	Mn	Ti	Fe	C	N	H	O
占比	1.76	1.67	其余	<0.1	0.022	0.0093	0.0022	0.078

1.2 試驗用釬料

本次試驗選用與其成分相近的 Ag-Cu-Ti、Ti-Zr-Cu-Ni、BTi3 等 3 種釬料。

2、結果與討論

2.1 釬料的選定

對采購的 Ag-Cu-Ti、Ti-Zr-Cu-Ni 和 BTi3 等 3 種釬料進行了差熱分析，差熱分析結果見表 2。

表 2 釬料差熱分析結果

釬料	固相線 /℃	液相線 /℃
Ag28Cu1.5Ti	776	788
Ti-Zr-Cu-Ni	842	871
BTi3	837	843

根據差熱分析結果及釬焊溫度設置原則，Ti-Zr-Cu-Ni 釬料的釬焊溫度接近 900℃，因此在 900℃的條件下，對 Ti-Zr-Cu-Ni 釬料開展潤濕性試驗，試驗結果如圖 1 所示。Ti-Zr-Cu-Ni 釬料在 900℃的釬焊溫度下呈光亮球狀形態，幾乎無鋪展現象，表明釬料在此釬焊溫度下的流動性較差，而釬料的流動性不足會使后續釬料對釬縫的填充產生不利的影響。若要改善釬料的鋪展性能，則需進一步提升釬焊溫度，根據材料手冊，TC1 材料組織轉變溫度為 920~930℃，當溫度達到此區間時，其基體組織會發生轉變。實際上，在釬焊溫度為 900℃時，TC1 鈦合金已經出現了組織轉變的情況，如圖 2 所示，故 Ti-Zr-Cu-Ni 釬料不適用于TC1鈦合金的釬焊。本文后續不再開展該釬料的研究，重點研究 Ag-Cu-Ti 和 BTi3 釬料 2 種釬料。

2.2 釬料的潤濕性和填隙性

2.2.1 Ag-Cu-Ti 釬料的潤濕性和填隙性

根據差熱分析結果，對 Ag-Cu-Ti 釬料分別在 820℃×15min、840℃×15min、860℃×15min 三組參數條件下對TC1鈦合金試片進行了釬料潤濕鋪展試驗，試驗過程中分別采用了水劑黏接劑和二甲苯黏接劑對釬料進行調制，結果如圖 3 所示。由圖 3 可知，在上述 3 組參數下，Ag-Cu-Ti 釬料均表現出良好的潤濕性；且在相同參數下，使用二甲苯黏結劑調制的釬料，其潤濕性和鋪展性顯著優于水劑黏結劑調制的釬料。但鑒于 860℃的釬焊溫度接近TC1鈦合金材料的組織轉變溫度，所以選取 820℃×15min、840℃×15min 兩組參數進行進一步的填隙性試驗，確定 Ag-Cu-Ti 釬料的最佳釬焊規范，填隙性試驗結果如圖 4 所示。由圖 4 可知，840℃×15min 時，釬料的填隙性最佳，填充長度達 116mm。

2.2.2 BTi3 釬料的潤濕性和填隙性

對于 BTi3 釬料，采用二甲苯黏結劑對其進行調制，在 860℃×15min 的工藝參數下，開展潤濕鋪展試驗，結果如圖 5 所示。由圖 5 可知，釬料展現出良好的潤濕性，表面呈金屬光澤。

在上述釬焊參數下對于 BTi3 釬料進行填隙性試驗，其結果如圖 6 所示。由圖 6 可知，BTi3 釬料在該釬焊參數下展現出良好的填充效果，填充長度達 115mm。

綜上所述，為保障TC1鈦合金真空釬焊過程中釬料良好的鋪展性和填隙性，進而保證釬焊質量，對于 Ag-Cu-Ti 釬料，推薦使用二甲苯黏結劑進行調制，釬焊規范為 840℃×15min；而對于 BTi3 釬料，推薦釬焊規范為 860℃×15min。

2.3 釬縫的性能測試

2.3.1 釬縫的剪切強度

因為鈦合金屬于特殊焊接材料，其表面對氧化反應具有較高的敏感性，為確保焊接質量，在焊接前需進行酸洗處理，為確定酸洗后焊接的時間控制，對比了酸洗后不同時間對釬焊縫的剪切強度。

采用規格為 100mm×20mm 的TC1板材制備剪切強度測試試片，搭接示意圖如圖 7 所示，試驗選用 Ag-Cu-Ti 釬料進行釬焊，釬焊溫度為 840℃，保溫時間 15min。剪切強度測試結果如圖 8 所示，其中 A 組試片為酸洗后 24h 釬焊，B 組試片為酸洗后 96h 釬焊，C 組試片為酸洗后 140h 釬焊，每組試片均加工 6 個釬焊接頭，所有試片釬焊后均進行了 600℃×2~3h 的退火處理，經剪切強度測試斷裂部位均在釬縫處。由圖 8 可知，隨著酸洗后時間的增加，試片剪切強度整體呈下降趨勢，且酸洗后 140h 釬焊的接頭強度明顯低于酸洗后 24h 和 96h 釬焊的試片，基于此，為保證釬焊接頭強度，TC1 鈦合金釬焊的酸洗后釬焊時間應盡量控制在 96h 內。

2.3.2 釬縫耐腐蝕性能

由于某些鈦合金零件的服役環境，需要長期暴露在潮濕的環境中，本研究對 2 種適配性較好的釬料所形成的釬縫進行耐腐蝕性能測試。

依據 GB/T 10125-2021 要求對 Ag-Cu-Ti 釬料釬焊 + 退火后的 2 個 T 型接頭釬焊縫開展了時長為 96h 的中性鹽霧腐蝕試驗，試驗結束后，試片置于常溫環境下放置 48h 進行后續觀察，結果顯示 2 個接頭的焊縫處釬料均出現嚴重腐蝕的現象，且伴隨白色和綠色腐蝕物產生，如圖 9 所示。

依據 GB/T 10125-2021 要求對 BTi3 釬料釬焊 + 退火 (先真空釬焊循環再退火處理) 后的 T 型接頭釬焊縫開展了時長為 48、72、96、120、144h 的中性鹽霧腐蝕試驗，試驗結束后，試片置于常溫環境下放置 48h 后觀察，結果顯示，所有試片釬焊縫處均未出現腐蝕現象及腐蝕物，其中經過 72h 中性鹽霧腐蝕試驗的結果如圖 10 所示。

綜上所述，Ag-Cu-Ti 釬料形成的釬縫耐鹽霧腐蝕性能較差，難以滿足三防要求；BTi3 釬料形成的釬縫耐鹽霧腐蝕性能較好，可滿足抗鹽霧腐蝕性能三防要求。

2.4 熱循環處理對TC1鈦合金基材的影響

為研究釬焊循環對TC1鈦合金材料性能和組織的影響規律，設計了對比試驗，分別對供應態、釬焊后及釬焊 + 退火后TC1試片開展了室溫抗拉強度試驗，并對釬焊 + 退火后試片進行金相剖切分析。

2.4.1 對基材強度的影響

為明確釬焊循環對基材強度的影響機制，將TC1試片在 2 種釬料的釬焊循環參數下進行了熱循環及后續退火處理，在此基礎上分別將供應態、釬焊循環態、釬焊循環 + 退火態處理的TC1試片作為 3 組測試對象進行了剪切強度測試，結果見表 3。由表 3 可知，經歷了釬焊循環及釬焊循環 + 退火處理后試片的剪切強度與供應態剪切強度無明顯差別，結果表明熱循環處理對TC1強度基本無不良影響。

表 3TC1試片室溫拉伸剪切強度對比 單位：MPa

組別	試片 1	試片 2	試片 3	平均值
供應態	805.4	798.4	796.0	800.0
釬焊循環 (840℃×15min)	777.5	791.5	783.2	784.1
釬焊循環 (860℃×15min)	770.8	790.8	793.5	785.0
釬焊循環 + 退火 (840℃×15min)	778.7	789.7	787.9	785.4
釬焊循環 + 退火 (860℃×15min)	800.6	772.2	776.8	783.2

2.4.2 對基材組織的影響

為確定在該釬焊狀態下，兩種釬料對TC1鈦合金組織的影響機制，對釬焊 + 退火的試片進行了金相剖切，如圖 11 所示。

結果表明，2 種釬料釬焊循環 + 退火態的基體組織均保持正常狀態，未見過熱現象產生，且對基體均未出現溶蝕現象。

3、結論

本課題圍繞TC1鈦合金真空釬焊技術展開研究，探究了釬料的選定、釬焊循環參數、酸洗時間控制、釬縫性能測試及熱循環處理對基材性能影響規律的研究，得到結論如下：

(1) 在TC1鈦合金的真空釬焊工藝中，為保證釬料良好的鋪展性和填隙性進而保證釬焊質量，選用 Ag-Cu-Ti 釬料時推薦使用二甲苯黏結劑進行調制，釬焊規范為 840℃×15min；而對于 BTi3 釬料，推薦釬焊規范為 860℃×15min；Ti-Zr-Cu-Ni 釬料不適用于該釬焊作業。

(2) 在TC1鈦合金的真空釬焊工藝中，隨著焊前酸洗后時間的增加，試片剪切強度呈下降趨勢，為保證釬焊接頭強度，TC1 鈦合金釬焊的酸洗后釬焊時間應控制在 96h 內。

(3) Ag-Cu-Ti 釬料形成的釬縫耐鹽霧腐蝕性能較差，難以滿足三防要求；BTi3 釬料形成的釬縫耐鹽霧腐蝕性能較好，可滿足抗鹽霧腐蝕性能三防要求。

(4) 熱循環處理對TC1鈦合金基材強度和顯微組織基本無顯著影響。

參考文獻

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（注，原文標題：真空釬焊工藝對TC1鈦合金焊縫性能的影響）

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