铝钛异种金属焊接技术

铝铝/ / 钛异种金属焊接技术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1.5mm Ti-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