Ti3Al和Ti2AlNb合金擴(kuò)散連接界面的組織及力學(xué)性能

李萬(wàn)青，魏紅梅，何 鵬，高麗嬌,3，林鐵松，李小強(qiáng)，赫蘭春

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001； 2 北京航空材料研究院，北京 100095； 3 北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京 100074)

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Ti3Al和Ti2AlNb合金擴(kuò)散連接界面的組織及力學(xué)性能

李萬(wàn)青1,2，魏紅梅1，何 鵬1，高麗嬌1,3，林鐵松1，李小強(qiáng)1，赫蘭春1

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001； 2 北京航空材料研究院，北京 100095； 3 北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京 100074)

采用直接擴(kuò)散連接Ti3Al和Ti2AlNb合金，研究了連接壓力、連接溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)接頭界面組織形貌及性能的影響。利用掃描電鏡、能譜分析和X射線衍射等方法觀察分析了界面組織結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明：直接固相擴(kuò)散連接接頭的典型組織為Ti3Al/O相+α2相過(guò)渡層/富B2層/Ti2AlNb。當(dāng)連接溫度為1000℃，保溫時(shí)間60min，連接壓力為5MPa時(shí)獲得的接頭室溫抗剪強(qiáng)度為635MPa，室溫抗拉強(qiáng)度為795MPa，均斷裂于Ti3Al母材一側(cè)。經(jīng)1000℃/60min熱循環(huán)后Ti3Al母材的抗拉強(qiáng)度下降至原始母材的76%。連接溫度低于950℃或保溫時(shí)間小于60min會(huì)導(dǎo)致未焊合等缺陷；溫度高于1050℃或保溫時(shí)間超過(guò)120min則導(dǎo)致Ti3Al發(fā)生相變。

擴(kuò)散連接；Ti3Al合金；Ti2AlNb合金；微觀組織；性能

Ti3Al合金相比Ti基合金具有較高的彈性模量和抗蠕變力，作為新興的高溫結(jié)構(gòu)材料已得到廣泛深入的研究[1]，成為Ti-Al系金屬間化合物中最優(yōu)先接近實(shí)用化的材料[2-4]。但是單相的Ti3Al金屬間化合物的室溫塑性仍然在1%以下[5,6]，在改善其塑性的工作中，引入第二相的合金化方法取得了較大進(jìn)展。其中Ti2AlNb合金是一種Nb含量較高的Ti3Al合金，具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的塑韌性和抗蠕變能力，是一種較有潛力的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件結(jié)構(gòu)材料[7-9]。使用Ti2AlNb合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)高溫合金可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)載工具本身的質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的比推力和效率[10,11]。但是較高的Nb含量使Ti2AlNb密度比Ti3Al大，預(yù)期選用Ti2AlNb為環(huán)體，Ti3Al為葉片的結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到更好的減重效果。因此研究二者的連接對(duì)于拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的意義[12,13]。

目前對(duì)Ti3Al合金的連接方式主要有熔化焊、釬焊和擴(kuò)散焊三種方法：熔化焊和釬焊往往容易引入雜質(zhì)使得接頭性能降低，而擴(kuò)散連接可以實(shí)現(xiàn)同種材料或者異種材料之間高質(zhì)量的連接。Threadgill[14]采用擴(kuò)散焊連接了a2和超a2合金。錢錦文等[15]以Nb/Ni為中間層擴(kuò)散連接Ti2AlNb和GH4169合金，得到了Ti2AlNb/高Nb的O相/Ti-Nb固溶體/殘留Nb層/Ni3Nb2/Ni6Nb7/GH4169的界面組織。許多研究結(jié)果顯示，連接溫度影響的相變以及接頭處的成分梯度是Ti3Al合金擴(kuò)散連接需要關(guān)注的問(wèn)題。目前關(guān)于Ti3Al和Ti2AlNb的擴(kuò)散連接報(bào)道較少，本工作進(jìn)行Ti3Al和Ti2AlNb兩種合金的擴(kuò)散連接，因二者具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，故選用直接擴(kuò)散的方法連接Ti3Al和Ti2AlNb，研究工藝參數(shù)對(duì)直接固相擴(kuò)散連接接頭界面組織和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用Ti3Al原子比為Ti-23Al-17Nb，由初生α2相、初生片狀O相和基體B2相組成，密度為4.5g/cm3，母材沿軋制方向的室溫和650℃高溫抗拉強(qiáng)度分別為966MPa和698MPa。Ti2AlNb合金成分為Ti-17Al-25Nb，由O+B2相兩相組成，密度為4.9g/cm3。母材沿軋制方向的室溫和650℃的平均抗拉強(qiáng)度分別為1096MPa和809MPa。

實(shí)驗(yàn)前采用電火花線切割的方式將Ti2AlNb合金加工成6mm×4.5mm×3mm尺寸試件。將Ti3Al合金加工成8mm×8mm×3mm尺寸試件用于金相觀察和15mm×8mm×3mm尺寸試件用于剪切性能測(cè)試，拉伸實(shí)驗(yàn)所用Ti2AlNb和Ti3Al試件尺寸均為30mm×15mm×3mm，經(jīng)電火花線切割和砂紙打磨之后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。國(guó)家應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)培訓(xùn)給予高度重視，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)人才的培訓(xùn)和教育，還要有效組織農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)培訓(xùn)工作。根據(jù)農(nóng)村地區(qū)發(fā)展的實(shí)際情況，采取多樣化、創(chuàng)新性的培訓(xùn)措施，使農(nóng)民在理解的基礎(chǔ)上加以掌握，切實(shí)提高農(nóng)民的機(jī)械操作能力。加強(qiáng)宣傳教育，激發(fā)廣大農(nóng)民群眾參與培訓(xùn)的熱情。在實(shí)踐中發(fā)展農(nóng)業(yè)科技，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)向著機(jī)械化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)前使用200～2000#砂紙對(duì)Ti3Al和Ti2AlNb母材待焊表面進(jìn)行逐級(jí)打磨，之后將其置于丙酮溶液中超聲清洗10min，以去除表面油污。裝配后放入Centorr CVI M60真空爐(真空度約為2×10-2Pa)中擴(kuò)散連接。固相擴(kuò)散連接Ti3Al與Ti2AlNb合金所采用連接溫度為850～1050℃，保溫時(shí)間為15～120min，連接壓力為3～10MPa。制備完成的試樣由電火花線切割，經(jīng)逐級(jí)砂紙打磨、拋光、腐蝕之后，采用掃描電鏡觀察接頭顯微組織和斷口形貌，利用能譜儀和X射線衍射儀分析接頭成分。使用INSTRON MODEL 1186電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)連接接頭進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試和抗拉強(qiáng)度測(cè)試，加載速率為0.5mm/s，接頭強(qiáng)度通過(guò)計(jì)算5個(gè)有效強(qiáng)度的平均值獲得。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 連接壓力對(duì)接頭界面組織和性能的影響

在擴(kuò)散連接過(guò)程中，最基本的要求是對(duì)母材表面的物理接觸，對(duì)待焊母材加壓是一個(gè)重要的方法，在宏觀壓力作用下，微觀不平的表面局部接觸點(diǎn)開(kāi)始接觸，最終達(dá)到全面物理接觸，這是形成冶金結(jié)合的前提條件，因此連接壓力是擴(kuò)散焊接中的重要參數(shù)。

本節(jié)中對(duì)不同連接壓力下Ti3Al和Ti2AlNb合金直接固相擴(kuò)散焊的接頭界面微觀組織進(jìn)行研究。理論上隨著連接壓力的增加，母材接觸更有效，接頭界面元素?cái)U(kuò)散更加充分，接頭的焊合率逐漸增大。圖1為不同連接壓力在950℃保溫60min時(shí)的接頭顯微組織，可以看出，接頭區(qū)域的組織在各個(gè)壓力參數(shù)下并未發(fā)生明顯的變化，這可能是由于Ti3Al和Ti2AlNb母材自身具有良好的塑韌性，因此在擴(kuò)散連接的高溫條件下，只需要較小的壓力就可以使母材發(fā)生初步接觸，在一定連接溫度和保溫時(shí)間下便可形成擴(kuò)散層。由圖1可見(jiàn)，雖然不同壓力下都實(shí)現(xiàn)了較好的物理接觸并形成了擴(kuò)散反應(yīng)層，但是從微觀晶粒的角度觀察，5MPa和7MPa壓力形成接頭的晶粒尺寸小于3MPa和10MPa的接頭。這說(shuō)明連接壓力過(guò)小使得界面擴(kuò)散反應(yīng)不夠充分，連接壓力過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致接頭母材中的B2相晶粒一定程度上的長(zhǎng)大，晶粒粗化。

圖2為在950℃保溫60min條件下，連接壓力對(duì)Ti3Al/Ti2AlNb接頭抗剪強(qiáng)度的影響。分析認(rèn)為，連接壓力較低時(shí)，不利于原子擴(kuò)散以及回復(fù)和再結(jié)晶，而隨著連接壓力的增大，界面微觀孔洞逐漸消失，使得接頭界面接觸充分，界面被充分激活，促進(jìn)回復(fù)和再結(jié)晶，可獲得冶金結(jié)合良好的接頭。但當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，在一定程度上促進(jìn)了自擴(kuò)散，導(dǎo)致母材中的相晶粒粗化，接頭強(qiáng)度有所下降。

2.express是動(dòng)詞，意為“表達(dá)；表示；顯而易見(jiàn)”。express one’s thanks意為“表示謝意”；express oneself意為“表達(dá)自己的意思”例如：

考慮到煤炭礦區(qū)規(guī)劃分階段實(shí)施，評(píng)價(jià)指標(biāo)提出了階段指標(biāo)值，即近期(2010年)、中期(2015年)及遠(yuǎn)期(均衡期)目標(biāo)值，詳見(jiàn)表1。

圖1 連接壓力對(duì)接頭界面形貌的影響(T=950℃，t=60min) (a)3MPa;(b)5MPa;(c)7MPa;(d)10MPaFig.1 The influence of bonding pressure on interface morphology of joint (T=950℃,t=60min) (a)3MPa;(b)5MPa;(c)7MPa;(d)10MPa

圖2 連接壓力對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響(T=950℃，t=60min)Fig.2 The influence of bonding pressure on shear strength of joint (T=950℃,t=60min)

瞭望臺(tái)是森林防火工作的第一線，王寶生和他的同事兩個(gè)人需要24小時(shí)不間斷的瞭望，尤其是冬春時(shí)節(jié)持續(xù)干旱和夜里起大風(fēng)的極端天氣，風(fēng)大的時(shí)候，爐子的煙根本抽不出去，會(huì)被大風(fēng)壓下來(lái)，滿屋都是煙。王寶生索性就不生火取暖了，而是裹著大衣里三層，外三層的整夜瞭望。

2.2 保溫時(shí)間對(duì)接頭界面組織和性能的影響

2.3 連接溫度對(duì)接頭界面組織和性能的影響

但是當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到120min時(shí)，如圖3(d)所示，Ti3Al母材一側(cè)發(fā)生的相變與溫度過(guò)高時(shí)相似，黑色塊狀α2相消失，形成編織狀的魏氏組織結(jié)構(gòu)。這是由于原子擴(kuò)散不斷進(jìn)行，α2相逐漸溶解，含量下降，相應(yīng)的B2相增加，最終導(dǎo)致晶粒粗化。

當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到60min時(shí)，Ti3Al/Ti2AlNb界面處元素?cái)U(kuò)散更加充分，界面反應(yīng)層厚度逐漸增加，界面分界逐漸消失。在界面處形成板條狀的O相組織，靠近Ti2AlNb側(cè)有富B2相層存在(圖3(c))。分析認(rèn)為這是由于Al原子擴(kuò)散較快，Nb原子在Ti2AlNb留存下來(lái)形成富B2相區(qū)。

在保溫時(shí)間t=60min，連接壓力P=5MPa的工藝條件下，對(duì)不同連接溫度下的接頭組織進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，如圖7所示?？梢杂^察到，當(dāng)溫度處于較低范圍850～900℃，剪切應(yīng)力達(dá)到最大極限時(shí)載荷迅速消失，表現(xiàn)為脆性斷裂。而當(dāng)溫度在950℃以上，載荷達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)會(huì)有一段時(shí)間的屈服，并且其屈服范圍較大，具有較好的塑性變形，表現(xiàn)為塑性斷裂。

T=850℃，t=60min，P=5MPa 時(shí)的剪切斷口顯微組織如圖8所示，斷口能譜分析結(jié)果如表1所示。圖8中C區(qū)域的成分接近于接頭界面的成分，而白亮的B區(qū)域中Nb含量較高，綜合分析斷裂發(fā)生于Ti3Al/Ti2AlNb界面焊縫處。連接溫度較低時(shí)，剪切實(shí)驗(yàn)的斷裂發(fā)生在界面焊縫處，此時(shí)焊縫質(zhì)量較差。

根據(jù)不同水平段長(zhǎng)度累產(chǎn)油量數(shù)值模擬結(jié)果，隨著水平段長(zhǎng)度的增加，單井累油量始終呈增加趨勢(shì)，但增幅逐漸變緩（圖4）。另外，根據(jù)完井壓裂對(duì)水平段井筒質(zhì)量的要求（要求水平段全角變化率＜6°／（100m），井眼擴(kuò)大率＜5%），完井工具的順利下入要求軌跡自A至B靶點(diǎn)為單斜構(gòu)造形態(tài)（圖3）。義123塊呈“鍋底狀”構(gòu)造，將區(qū)塊劃分為兩個(gè)井區(qū)部署，綜合考慮儲(chǔ)層展布范圍及A靶點(diǎn)中靶厚度要求，設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)度為900～1 700m。

實(shí)驗(yàn)用的污泥取自合肥市望塘污水廠二沉池，污泥濃度為15 g/L，靜置后去除上清液，將污泥均勻倒入反應(yīng)裝置。厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)在水浴恒溫振蕩器中進(jìn)行，以維持其厭氧發(fā)酵溫度并防止菌群結(jié)集，溫度設(shè)為30°C，轉(zhuǎn)速為80 r/min。

圖3為連接溫度1000℃，連接壓力5MPa條件下，保溫時(shí)間對(duì)接頭界面組織的影響。由于兩種母材原子含量相差不大，擴(kuò)散程度主要依賴于連接溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)。當(dāng)保溫時(shí)間為15min時(shí)，Ti3Al/Ti2AlNb接頭處有比較明顯的界面分界(圖3(a))。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Ti3Al和Ti2AlNb的元素互相擴(kuò)散，保溫30min時(shí)界面處主要形成板條狀的O相和次生片狀α2相，B2相仍以基體相的成分存在(圖3(b))。

綜上所述，只要保證母材試樣制備規(guī)范，連接溫度和保溫時(shí)間等工藝參數(shù)在合理范圍內(nèi)，連接壓力并不是影響Ti3Al/Ti2AlNb接頭界面顯微組織和力學(xué)性能的主要因素。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，連接壓力均選為5MPa。

在保溫時(shí)間為60min，壓力5MPa不變的前提下，改變連接溫度，觀察分析連接溫度對(duì)Ti3Al/Ti2AlNb接頭界面組織和力學(xué)性能的影響。圖5所示為不同連接溫度下接頭顯微組織照片，圖中左側(cè)為Ti3Al，右側(cè)為Ti2AlNb。

圖3 保溫時(shí)間對(duì)接頭界面組織的影響(T=1000℃,P=5MPa) (a)15min;(b)30min;(c)60min;(d)120minFig.3 The influence of holding time on interface morphology of joint(T=1000℃,P=5MPa) (a)15min;(b)30min;(c)60min;(d)120min

圖4 保溫時(shí)間對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響(T=1000℃，P=5MPa)Fig.4 The influence of holding time on shear strength of joint (T=1000℃,P=5MPa)

當(dāng)溫度較低時(shí)，如圖5(a),(b)所示，在接頭處有明顯的界面分界，原子擴(kuò)散不充分，存在未焊合或孔洞。隨著溫度的升高，如圖5(c),(d)所示，Ti3Al/Ti2AlNb界面孔洞消失，形成連續(xù)的擴(kuò)散層，并且界面區(qū)域元素?cái)U(kuò)散程度逐漸加深，反應(yīng)層逐漸加厚。但是當(dāng)連接溫度上升到1050℃時(shí)，如圖5(e)所示，Ti3Al側(cè)母材發(fā)生了明顯的相變，黑色塊狀α2相消失，焊縫中具有粗大等軸的原始B2相晶粒，在B2相晶界上有完整的α2相網(wǎng)，且在B2相晶內(nèi)有長(zhǎng)條狀α2相，α2相間夾有B2相，形成呈編織狀的魏氏組織。

為進(jìn)一步研究連接溫度對(duì)Ti3Al母材組織的影響，對(duì)原始母材和經(jīng)過(guò)T=1050℃，t=60min熱循環(huán)的母材進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6(a),(b)的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，原始Ti3Al母材中主要由α2，B2和O相組成，但是當(dāng)母材經(jīng)過(guò)1050℃的熱循環(huán)之后，α2相明顯減少，主要以B2相存在。與上述分析結(jié)果相同，即Ti3Al母材經(jīng)過(guò)1050℃高溫?zé)嵫h(huán)之后，自身會(huì)發(fā)生相變。

爺爺從兜里掏出個(gè)藍(lán)綢手帕裹著的包，打開(kāi)手帕里面是枚翡翠手鐲。爺爺把手鐲遞給權(quán)箏：“拿著，這是奶奶臨走時(shí)留下的，指定要給何東的媳婦。誰(shuí)也別不服氣，誰(shuí)讓他是長(zhǎng)孫呢?！?/p>

保溫時(shí)間會(huì)影響接頭的力學(xué)性能。圖4為T=1000℃，P=5MPa時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)接頭室溫抗剪強(qiáng)度的影響。可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間為15min時(shí)，由于界面處元素?cái)U(kuò)散并不充分，接頭結(jié)合力較差。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭的室溫抗剪強(qiáng)度逐漸升高，達(dá)到635MPa左右，并且接頭抗剪強(qiáng)度在較寬的保溫時(shí)間范圍內(nèi)保持較高的水平。這說(shuō)明抗剪強(qiáng)度值與顯微組織分析結(jié)果相一致。

推動(dòng)行政機(jī)關(guān)堵塞漏洞。通過(guò)公益訴訟案件辦理，主動(dòng)加強(qiáng)與行政機(jī)關(guān)的溝通聯(lián)系，使行政執(zhí)法部門充分理解檢察機(jī)關(guān)提起公益訴訟對(duì)于推動(dòng)問(wèn)題解決、促進(jìn)依法行政、建設(shè)法治政府的重要意義和作用，嚴(yán)格依照法律規(guī)定的權(quán)限和程序，全面、正確、及時(shí)地履行監(jiān)管職責(zé)。對(duì)于檢察機(jī)關(guān)在公益訴訟中發(fā)現(xiàn)的普遍性行政違法問(wèn)題，注重源頭治理，建立健全長(zhǎng)效工作機(jī)制，完善行政執(zhí)法工作規(guī)程。

圖5 連接溫度對(duì)接頭界面組織的影響(t=60min,P=5MPa) (a)850℃;(b)900℃;(c)950℃;(d)1000℃;(e)1050℃Fig.5 The influence of bonding temperature on interface morphology of joint(t=60min,P=5MPa) (a)850℃;(b)900℃;(c)950℃;(d)1000℃;(e)1050℃

圖6 Ti3Al母材的X射線衍射譜 (a)原始Ti3Al母材；(b)經(jīng)熱循環(huán)的Ti3Al母材Fig.6 XRD patters of Ti3Al alloy (a)original Ti3Al alloy;(b)Ti3Al alloy after thermal cycling

圖7 不同連接溫度接頭的剪切載荷-應(yīng)變曲線 (a)850～900℃;(b)950～1050℃Fig.7 Load-strain curves of the joints at different bonding temperatures (a)850-900℃;(b)950-1050℃

對(duì)950℃/60min/5MPa接頭的XRD分析如圖9所示，斷口處主要以α2相、O相和B2相為主，與Ti3Al母材中的相相同，確認(rèn)其斷口位于Ti3Al母材一側(cè)。這說(shuō)明隨著連接溫度的升高元素?cái)U(kuò)散逐漸充分，Ti3Al/Ti2AlNb界面結(jié)合緊密，焊縫質(zhì)量提高。

圖8 斷口的顯微組織(850℃/60min/5MPa)Fig.8 Fracture microstructure(850℃/60min/5MPa)

RegionTiAlNbA50．2721．0728．66B22．4516．2661．29C56．6223．3420．04

圖9 斷口的XRD譜(950℃/60min/5MPa)Fig.9 XRD pattern of the fracture(950℃/60min/5MPa)

在保溫時(shí)間60min，連接壓力5MPa的工藝參數(shù)下，連接溫度對(duì)Ti3Al/Ti2AlNb接頭抗剪強(qiáng)度的影響如圖10所示，隨著連接溫度的升高，抗剪強(qiáng)度提高。當(dāng)連接溫度上升至1000℃時(shí)，原始的連接界面已完全消失，擴(kuò)散充分，結(jié)合良好，抗剪強(qiáng)度達(dá)到635MPa左右。然而擴(kuò)散連接溫度過(guò)高時(shí)，母材的組織會(huì)發(fā)生相變。因此，1000℃是Ti3Al/Ti2AlNb直接固相擴(kuò)散連接的優(yōu)選工藝溫度。

圖10 連接溫度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響(t=60min,P=5MPa)Fig.10 The influence of bonding temperature on shear strength of joint (t=60min,P=5MPa)

圖11 拉伸試樣照片(1000℃/60min/5MPa)Fig.11 Photo of tensile sample (1000℃/60min/5MPa)

為進(jìn)一步研究連接溫度對(duì)接頭性能的影響，選擇最優(yōu)工藝1000℃/60min/5MPa的連接試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明斷裂發(fā)生于Ti3Al母材側(cè)，如圖11所示。接頭平均抗拉強(qiáng)度值為795MPa，但是Ti3Al母材室溫拉伸實(shí)驗(yàn)的測(cè)試強(qiáng)度平均值約為1046MPa，接頭處的Ti3Al母材強(qiáng)度低于原始母材的抗拉強(qiáng)度。

為證實(shí)高溫?zé)嵫h(huán)對(duì)Ti3Al母材性能的影響，對(duì)熱處理前后的Ti3Al母材進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)T=1000℃，t=60min的高溫?zé)嵫h(huán)之后，室溫抗拉強(qiáng)度由原始母材的1046MPa下降至801MPa，大約為原始母材的76%。這說(shuō)明雖然在1000℃時(shí)未產(chǎn)生相變，但較高的連接溫度對(duì)Ti3Al母材性能仍然造成了一定的損傷，在擴(kuò)散連接中需進(jìn)一步降低連接溫度以減少母材自身性能的下降，這也是今后完善連接工藝的方向之一。

3 結(jié)論

(1)Ti3Al/Ti2AlNb擴(kuò)散連接接頭的典型界面組織結(jié)構(gòu)為Ti3Al/O相+α2相過(guò)渡層/富B2層/Ti2AlNb。

(2)連接溫度過(guò)低或保溫時(shí)間太短導(dǎo)致擴(kuò)散不充分，甚至產(chǎn)生未焊合缺陷，連接溫度超過(guò)1050℃或保溫時(shí)間長(zhǎng)于120min則導(dǎo)致Ti3Al相變；連接壓力對(duì)界面組織影響較小，5～7MPa即可實(shí)現(xiàn)連接。

(3)在連接溫度1000℃，保溫時(shí)間60min，連接壓力5MPa的條件下，接頭的室溫抗剪強(qiáng)度為635MPa，室溫抗拉強(qiáng)度為795MPa，斷裂于Ti3Al母材側(cè)。

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Interfacial Microstructure and Mechanical Properties of Diffusion Bonding of Ti3Al and Ti2AlNb Alloys

LI Wan-qing1,2，WEI Hong-mei1，HE Peng1，GAO Li-jiao1,3，LIN Tie-song1，LI Xiao-qiang1，HE Lan-chun1

(1 State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China; 2 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095, China; 3 Beijing Xinghang Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd.,Beijing 100074,China)

Ti3Al and Ti2AlNb alloys were joined by direct diffusion welding. The influence of bonding pressure, bonding temperature and holding time on the interface morphology and property of the joint was studied. The interface structure was analyzed by SEM, EDS and XRD, and the mechanical properties of joints were tested. The results show that typical interface structure of direct diffusion bonding joints is Ti3Al/O-phase and α2-phase/B2-rich phase/Ti2AlNb. When bonding temperature is 1000℃, holding time is 60min, bonding pressure is 5MPa, the shear strength could reach 635MPa and the tensile strength could reach 795MPa. Both joints fracture at the Ti3Al-base alloy. After thermal cycling (1000℃/60min), the tensile strength of Ti3Al decreases to 76% of the original strength. Welding defects occur when bonding temperature is below 950℃ or holding time is less than 60min. The bonding temperature higher than 1050℃ or holding time more than 120min will lead to phase transition of Ti3Al.

diffusion bonding;Ti3Al alloy;Ti2AlNb alloy;microstructure;property

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.01.007

TG453+.9

A

1001-4381(2015)01-0037-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51275135，51305102)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域課題(20112302130005)

2013-12-10；

2014-11-24

何鵬(1972-)，男，博士，教授，主要從事釬焊、微連接及可靠性基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)方面的研究工作，聯(lián)系地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)西大直街92號(hào)哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院824室(150001)，E-mail：hithepeng@hit.edu.cn