擴散連接技術在鈦合金加工中的應用及研究進展

高文靜+雷君相

摘要： 擴散連接技術是一種缺陷少、精密度高的固相連接技術.擴散連接技術在鈦合金加工中的應用一定程度上解決了鈦合金加工難的問題.在簡要介紹擴散連接技術及鈦合金加工現(xiàn)狀的基礎上，綜述了擴散連接技術在鈦合金加工中的應用及研究進展，包括鈦合金與不銹鋼的擴散連接、鈦合金與陶瓷材料的擴散連接、TC4（Ti6Al4V）鈦合金的擴散連接與超塑成型/擴散連接（SPF/DB）以及TA15鈦合金的擴散連接.歸納總結了國內外學者的研究成果，對影響擴散連接質量的3個主要因素溫度、壓力和時間進行了對比分析，為最佳工藝參數的選擇提供了參考，指出了目前需要解決的問題和發(fā)展方向.

關鍵詞： 擴散連接； 鈦合金； TC4； SPF/DB

中圖分類號： TG 456 文獻標志碼： A

近年來隨著材料科學的不斷發(fā)展、新材料的出現(xiàn)，為了解決同種或異種材料間的連接問題，擴散連接技術因其獨特的固相連接優(yōu)勢引起了人們的重視，成為了材料連接領域新的研究熱點.目前世界上有很多先進的工業(yè)國家都對其進行了廣泛的研究和應用.擴散連接技術可用于生產制造新器件，能滿足航空航天、電氣設備、機械工業(yè)和核工業(yè)研究等裝置中關鍵零部件特殊的連接要求[1-2]，在工業(yè)制造中發(fā)揮著越來越重要的作用.作為世界“第三金屬”的鈦及鈦合金因其優(yōu)異的性能在很多領域得到了應用.但由于鈦合金材料具有傳熱系數小、比熱低、化學性質活潑等特點，其機械加工的難度較大，是目前較難加工的材料之一.機械加工困難一定程度上成為鈦合金應用和發(fā)展的瓶頸，所以解決鈦合金加工問題的新技術新方法也成為了人們的研究熱點[3].本文綜述了擴散連接技術在鈦合金加工中的應用及研究進展，包括鈦合金與不銹鋼、陶瓷材料的擴散連接，常用TC4鈦合金和TA15鈦合金的擴散連接，總結了國內外學者的研究成果，對影響擴散連接質量的3個主要因素溫度、壓力、時間進行了對比分析，為最佳工藝參數的選擇提供了參考，最后指出了目前需要解決的問題和發(fā)展方向.

1 擴散連接技術的原理及特點

1.1 擴散連接的原理

擴散連接指的是互相接觸的材料表面，在高溫、壓力和真空或保護氣氛的作用下，相互靠近從而發(fā)生局部塑性變形，經過一定時間后結合層的原子相互擴散，最終形成整體可靠連接的過程.與普通焊接方式不同的是，擴散連接并不發(fā)生熔化和宏觀塑性變形，這也是它的優(yōu)勢所在.沒有金屬液的熔化，直接通過固相原子相互擴散達到連接的目的，避免了普通焊接中因金屬熔化而產生的缺陷.從可連接性的角度看，擴散連接可以實現(xiàn)各種材料、各種特殊結構的可靠連接[4-5].

擴散連接過程通常分為三個階段[2]：第一階段為物理接觸階段.擴散連接時，經過處理的表面仍然呈現(xiàn)微觀的凹凸不平，材料之間的接觸主要以點接觸為主，高溫下對其施加壓力，部分接觸的點最先產生塑性變形，經過持續(xù)的壓力作用，接觸面積逐漸增大，形成緊密接觸，得到滿足要求的擴散連接接頭.第二階段為擴散及界面推移階段.在此階段緊密接觸的界面原子進行擴散遷移，此時擴散連接接頭處連接方式主要為金屬鍵，經過一定的保溫時間后，擴散的結合層達到一定深度，金屬鍵連接變成牢固的冶金連接.第三階段為界面和孔洞消失階段，主要的形式為體積擴散.通過繼續(xù)擴散作用，界面孔洞逐漸消失，接頭組織成分趨于均勻，原始界面消失，該過程速度較緩慢，通常需要幾十分鐘到幾十小時不等.

擴散連接過程示意圖如圖1所示.

1.2 擴散連接的特點

擴散連接技術的主要特點如下[2]：

（1） 擴散連接適合進行內部連接和多點、大面積構件的連接，以及電弧可達性較差，用傳統(tǒng)焊接方法無法實現(xiàn)的連接.

（2） 擴散連接可以進行耐熱材料、陶瓷材料、磁性材料及活潑金屬的連接.尤其適合于不同種類的金屬材料與非金屬異種材料的連接.異種材料的擴散連接研究占到整個擴散連接技術研究的70%.

（3） 擴散連接技術對裝配等條件要求嚴格，使它成為了一種高精密的連接方式.擴散連接后，工件的殘余應力小，基本不產生變形，可實現(xiàn)機械加工后的精密裝配連接.

2 鈦合金加工

2.1 鈦合金的應用及發(fā)展

鈦合金因其具有優(yōu)越的綜合性能，成為了一種理想的結構材料.鈦合金具有兩個主要的優(yōu)點[6]：一是其密度小而強度高，且有較好的高溫性能，能在600 ℃高溫下工作而表現(xiàn)突出；二是其具有較強的耐腐蝕性，可以在酸性介質中工作，抗腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼.由于性能優(yōu)越，鈦合金在很多領域都得到了廣泛的應用.在航空航天領域，鈦合金是不可缺少的“太空金屬”，在飛機機身、發(fā)動機和火箭部件的制造中起到了重要的作用.在其他領域，鈦合金的用量也在逐年上升，發(fā)揮著越來越重要的作用，在船舶、汽車、醫(yī)療、能源和化工等領域體現(xiàn)尤為明顯.在船舶工業(yè)中，鈦合金優(yōu)異的抗腐蝕性能及比強度高、無磁的特點，使其非常適合海洋環(huán)境，已成功應用到船舶的重要部件上，比如船殼體、螺旋槳和閥體等.在汽車工業(yè)中，鈦合金的優(yōu)良性能為汽車的節(jié)能減排作出了很大貢獻[7].

2.2 鈦合金的加工現(xiàn)狀

鈦合金常用的機械加工方式有磨削、銑削、切削和鍛造等，但鈦合金的低加工效率、高加工成本等問題一直是限制其發(fā)展的瓶頸[8-9].鈦合金目前仍被認為是難加工材料之一，造成其難加工的原因主要為[10-12]：（1） 鈦合金的傳熱系數較小，機械加工時切屑接觸區(qū)域產生的高溫難以及時排除，而鈦合金較小的傳熱系數加劇了高溫的形成，使得加工熱過大；（2） 鈦合金的比強度較高，加工溫度較高時，刀具磨損嚴重；（3） 鈦合金的化學性質活潑，機械加工時易與刀具產生氧化反應，產生加工硬化等問題；（4） 鈦合金的彈性模量小，機械加工過程中不穩(wěn)定，容易磨損刀具.雖然鈦合金難以機械加工，但是其在工業(yè)制造領域尤其是飛機制造行業(yè)中仍然不可或缺.所以尋求方法降低鈦合金的加工難度、提高加工效率和材料利用率以及降低加工制造成本成為人們研究的熱點.endprint

擴散連接技術在鈦合金加工中的應用研究體現(xiàn)在鈦合金本身及與其他材料的連接、鈦合金零件的批量生產、飛行器結構件輕量化等方面，同時利用擴散連接與超塑成形技術的組合進行加熱壓力加工，克服了傳統(tǒng)加工工藝的缺點，材料的利用率達到90%以上[13].研究表明，擴散連接技術可以很好地應用在鈦合金的加工中，一定程度上為其加工難問題提供了解決途徑，值得進一步開發(fā)和完善.

3 擴散連接在鈦合金加工中的應用

3.1 鈦合金與不銹鋼的擴散連接

通過擴散連接技術將鈦合金與不銹鋼結合起來，充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，可以取長補短，同時能滿足產品經濟與性能的要求，在市場上擁有廣闊的應用前景.周榮林等[14]研究了鈦合金與不銹鋼網的擴散連接，對TC4鈦合金和00Crl8Ni10不銹鋼采用直接擴散工藝.研究表明該工藝下的最佳工藝參數為連接溫度880 ℃，連接壓力10 MPa，連接時間0.5 h，接頭強度74 MPa，接頭界面近區(qū)變形率<1%.秦斌等[15-16]用相變超塑性擴散連接法實現(xiàn)了TA17鈦合金與0Cr18Ni9Ti不銹鋼之間的連接.試驗得到鈦合金與不銹鋼擴散連接的最優(yōu)工藝參數是循環(huán)上限溫度890 ℃，循環(huán)下限溫度800 ℃，循環(huán)10次，循環(huán)加熱速度為30 ℃/s，擴散連接壓力5 MPa，時間僅為160 s，接頭強度可達307 MPa.其相變超塑性擴散連接工藝過程如圖2所示.李小強等[17]用PtNi合金作中間層進行了TC4鈦合金和00Crl8Ni10不銹鋼的擴散連接試驗，得到了強度為146 MPa的連接接頭，比直接連接的強度提高近1倍.擴散連接的最佳工藝參數為連接溫度850 ℃，連接壓力10 MPa，連接時間10～15 min，中間層厚度30 μm.Balasubramanian等[18-20]對TC4鈦合金和304不銹鋼以Ag為中間層的擴散連接進行了研究，在750～800 ℃時成功進行了連接，在5 MPa，1.5 h條件下連接接頭獲得了最大搭接剪切強度.

3.2 鈦合金與陶瓷的擴散連接

陶瓷材料性能優(yōu)良但本質較脆，加工性差，復雜結構中往往需要和金屬材料連接使用才能滿足要求，比如綜合性能較高的鈦合金.擴散連接技術非常適合異種材料間的連接，國內外學者對鈦合金與陶瓷材料間的擴散連接也進行了很多研究.Wickman等[21]對TC4鈦合金/TiAl基復合材料/A12O3陶瓷三層結構真空擴散連接進行了研究.結果表明，三層結構均獲得了較好的連接效果，較好的工藝參數分別為，時間/溫度：1 573 K/360 ks，1 523 K/360 ks和1 473 K/360 ks.王義峰等[22]對置氫TC4鈦合金與A12O3陶瓷的擴散連接進行了研究，試驗得到的接頭抗剪強度最大為128 MPa，表明置氫有助于提高TC4鈦合金接頭性能，改善擴散連接質量.試驗的最優(yōu)工藝參數為連接溫度840 ℃，保溫時間90 min，連接壓力3 MPa，氫質量分數為0.4%.對擴散連接接頭壓剪斷口進行XRD分析可知，接頭界面處主要為Ti3Al2和AlTiO5相，圖3為斷口的XRD分析結果.

3.3 TC4鈦合金的擴散連接

3.3.1 TC4鈦合金擴散連接技術研究進展

TC4鈦合金是目前使用最廣泛的鈦合金，其用量約占鈦合金整體用量的一半.TC4鈦合金綜合性能強，其強度、塑性、韌性、耐高溫性、焊接性、抗腐蝕性和生物相容性等均較好，被稱為鈦合金工業(yè)中的“王牌合金”，其他許多鈦合金都可以看作是它的改型[23].

擴散連接技術在TC4鈦合金中的應用研究廣泛，主要是影響因素的研究.影響擴散連接質量的因素有很多，連接溫度、連接壓力、保溫時間、接頭表面狀態(tài)、保護氣體及中間層的選取等，其中重要的因素是連接溫度、壓力和保溫時間.這些主要的因素相互影響相互制約，連接參數的選擇就是控制這些因素，最終得到綜合性能良好的擴散連接接頭[2].

林兆榮等[24]經過大量的試驗，提出了進行TC4鈦合金擴散連接的大致工藝參數范圍為：宜選連接溫度 900～950 ℃，連接壓力1～5 MPa，保溫時間30～180 min.周克印等[25]對TC4鈦合金擴散連接后的疲勞斷裂特性進行了研究，由疲勞斷裂試件的斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展為穿晶斷裂.通過對比試驗表明，當溫度與壓力選擇合適時，擴散連接處界面上的金相組織變成了針狀魏氏體.此時晶粒尺寸變大，使得在疲勞裂紋擴展過程中阻止缺陷擴展的能力增強，提高了其抗疲勞斷裂的性能.試驗所用的TC4鈦合金板材最佳工藝參數為連接壓力為2.94 MPa，溫度為960 ℃，保溫時間2 h，擴散連接對延緩疲勞裂紋擴展起到一定作用，使其抗疲勞斷裂性能有所改善.

施曉琦[26]對TC4鈦合金單層板加強結構 SPF/DB工藝進行了研究，得到最優(yōu)擴散連接工藝參數為：連接溫度920 ℃，加載壓力3.0 MPa，保溫時間1.5 h.崔元杰[27]制作了超塑成形/擴散連接三層板結構件，采用溫度 900 ℃，壓力2.5 MPa，時間1 h的擴散連接工藝參數，焊合率最大達到99.5%.韓文波等[28]采用氣壓成形方法進行了超塑成形/擴散連接四層板結構件的研究，其中擴散連接工藝參數為：連接溫度 930 ℃，保溫時間0.5 h，連接壓力10 MPa.

Ma等[29]對飛行器口蓋擴散連接工藝進行了研究，口蓋材料采用TC4鈦合金.試驗發(fā)現(xiàn)，當擴散連接溫度為910 ℃，壓力為1.5 MPa，保溫時間為1 h時，擴散連接的質量最好.采用S314005對擴散連接后毛坯進行超聲檢測，焊合區(qū)域不小于90%，單個焊合面積不大于50 mm2，相鄰兩個未焊合缺陷區(qū)域的間距不小于其中較大缺陷軸長度.擴散連接后材料的顯微組織為等軸相+晶間β相，等軸晶粒度級別指數大于9級，較原始組織沒有發(fā)生太大變化.

張蕾等[30-31]對置氫TC4鈦合金的擴散連接進行了研究，試驗結果表明：擴散連接界面孔洞彌合率因氫元素的加入而顯著提高.置氫TC4鈦合金擴散連接最優(yōu)工藝參數為：連接溫度775 ℃，連接壓力4 MPa，保溫時間為1 h，置氫質量分數0.4%，對接頭進行室溫拉伸強度測試，拉伸強度達1 017 MPa，接近母材強度，接頭有良好的塑性，斷口兼具韌窩及撕裂棱形貌特征.圖4為拉伸試樣斷口宏觀與微觀形貌.endprint

王國峰等[32-33]在封邊焊后成形溫度920 ℃，成形時間t=2 h，成形壓力2 MPa的條件下進行TC4鈦合金中空葉片擴散連接超塑成形技術的研究.成形后對擴散連接接頭厚度進行測量，擴散連接接頭附近的厚度較小，其他區(qū)域厚度分布均勻，成形質量較好.圖5是在不同的保溫時間下擴散連接接頭的顯微圖.由圖5可知，在保溫時間較短的時候，形成的孔洞是比較連續(xù)的大孔洞；保溫時間稍微長一些，形成的孔洞是零散孔洞；保溫時間2 h時，孔洞基本消失.

吳心晨[34]對渦輪用寬弦空心風扇葉片的擴散連接工藝進行了研究，試驗表明當TC4鈦合金擴散連接的面積較大時，應適當加長擴散連接時間，同時控制加載壓力以免零件發(fā)生變形.試驗得出最優(yōu)工藝參數為擴散連接溫度930 ℃，單位面積壓力2.5 MPa，保溫時間1 h，采用自動控制位移加載，經超聲檢測及金相分析，接頭質量良好.

賀小帆等[35]對含中心孔結構的鈦合金層板的擴散連接裂紋擴展特性進行了研究，試驗設計了3種試件，分別為含6 mm中心孔的8 mm厚單層板材、含6 mm中心孔的三層板和含12 mm中心孔的止焊三層板（厚度分別是3，2和3 mm），通過疲勞對比試驗得出：總厚度8 mm的鈦合金三層板的裂紋擴展性能不弱于厚度8 mm的單層板；而由于止焊區(qū)的存在，含12 mm中心孔的止焊三層板的裂紋擴展特性得到了明顯改善，研究得到沿孔徑方向的裂紋長度表征的裂紋擴展規(guī)律大致可描述為da/dN=Qab.

3.3.2 TC4鈦合金的超塑成形/擴散連接（SPF/DB）

TC4鈦合金不僅具有良好的擴散連接性能，在高溫下同時能獲得極高的伸長率，擁有超塑性能，因此超塑成形技術也常用于鈦合金加工.TC4鈦合金超塑成形工藝的最佳溫度在920 ℃左右，而擴散連接的合適溫度在 870～1 280 ℃，這兩種成形技術所需的條件（溫度、材料組織等）正好相互吻合，因此將其結合起來放到一起進行，構成了SPF/DB工藝 [36].其成形的結構件整體性強，擴散連接技術的使用代替了鉚接等機械連接方式，不僅減少了裝配的工作量，而且實現(xiàn)了輕量化，圖6為3種典型的SPF/DB結構.

SPF/DB工藝在鈦合金加工中的應用，不僅為鈦合金的加工提供了一種有效的途徑，而且提高了材料利用率，降低了生產成本，實現(xiàn)了結構的整體化，達到了輕量化的目的.SPF/DB工藝常用來制作航空航天領域所使用的薄壁結構件，如飛機壁板、舵體、翼梁、渦輪葉片等，并逐漸應用在建筑、車輛制造等領域，具有很好的發(fā)展前景[37].

Han等[38]對TC4鈦合金氣脹SPF/DB技術制造蜂窩狀結構進行了試驗研究，對SPF/DB的溫度、壓力、時間參數對接頭剪切強度和成形件的厚度均勻性的影響進行了對比，確定了SPF/DB的最優(yōu)工藝參數.研究發(fā)現(xiàn)，室溫下變形時，材料的斷裂處為基體而非接口處，證明了SPF/DB工藝可以用于制造蜂窩狀空心結構.王榮華[39]研究了翼類鈦合金SPF/DB的關鍵工藝，分析試驗結果得到DB的最優(yōu)工藝參數為：溫度860 ℃，壓力3 MPa，加壓時間40 min；SPF參數為：溫度860 ℃，最大進氣壓力1.5 MPa，加壓時間50 min.王大剛等[40]對于激光預焊芯板夾層提出了一種SPF/DB新工藝用來成形舵體零件，通過仿真和試驗研究表明：SPF/DB工藝在溫度920 ℃，最大氣壓1.2 MPa，真空度5×10-3 Pa的情況下，成形得到合格產品，焊合率為95%以上，壁厚分布均勻性90%以上，晶粒長大35%以內，新的成形工藝效果較傳統(tǒng)工藝好.

3.4 TA15鈦合金的擴散連接

TA15（Ti6Al2Zr1Mo1V）鈦合金屬于近α型鈦合金，既具備α型鈦合金良好的熱服役性和熱連續(xù)性，又具備與α+β型鈦合金接近的工藝塑性，是綜合性能優(yōu)良的鈦合金.TA15鈦合金可在500 ℃下長時間工作，瞬時工作溫度達到800 ℃，在450 ℃擁有6 000 h的工作壽命[41]，常用于制造需要在500 ℃長時間工作的結構件和焊接承力件，如發(fā)動機葉片、機架、飛機鈑金件、大型壁板、接頭和焊接承力架等.TA15鈦合金是我國重要的結構用鈦合金和損傷容限型鈦合金，在航空航天和軍工等領域得到了普遍的應用[42-43].其斷裂韌性、疲勞極限和抗應力腐蝕能力均比TC4鈦合金高，工藝塑性稍低于TC4鈦合金[44].

楊琴[45]對TA15TA15鈦合金接頭擴散連接工藝進行了研究，通過力學性能測試及金相觀察得到結論：（1） 壓力與時間對抗拉強度和伸長率的影響相對較小；（2） 接頭兩側組織均勻細小，接頭整齊，存在少量氣孔，晶粒在接頭擴散連接區(qū)域充分擴散，接頭連接效果良好，實現(xiàn)了等強度連接；（3） 在920 ℃，1.5 MPa，2 h條件下，綜合力學性能最好，室溫抗拉強度達925.33 MPa，伸長率為14.33%，高溫抗拉強度為616.5 MPa，伸長率為24.25%.

周媛等[46]以Ti，Ni薄膜為中間層的TA15鈦合金和DD6單晶合金為基體，進行了低溫擴散連接的研究.結果表明，利用磁控濺射技術，以Ti，Ni薄膜作為中間層進行了TA15鈦合金與DD6單晶高溫合金的低溫擴散連接，Ti，Ni從母材一側擴散至另一側，擴散連接接頭組織分層，主要為Ti2Ni和TiNi相.得到的最優(yōu)工藝參數為連接溫度800 ℃，連接壓力20 MPa，保溫時間2 h.圖7為該工藝參數下得到的接頭組織圖和接頭區(qū)域元素線掃描分析結果.

劉佳佳等[47]對TA15鈦合金擴散連接性能進行了研究，采用正交試驗的方法，進行擴散連接工藝試驗，以焊合率為判據來獲得優(yōu)化的工藝參數.試驗結果表明，影響TA15鈦合金擴散連接質量的主要因素為溫度，次要因素為保溫保壓時間，連接壓力的影響相對較小.在參數組合940 ℃/1.5 MPa/1.5 h，940 ℃/2 MPa/ 2 h，920 ℃/1 MPa/2 h和920 ℃/2 MPa/1.5 h擴散連接效果均較理想，焊合率均大于95%.擴散連接溫度升高時，接頭顯微硬度逐漸增加，在940 ℃時最高，接頭結合均良好.endprint

4 結 語

擴散連接技術作為一種新型的加工方式，擁有其獨特的優(yōu)勢，開展對它的研究、開發(fā)、應用以及產業(yè)化對國民經濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義.通過以上分析，將擴散連接技術應用到鈦合金加工中，可以一定程度上解決其難加工問題，對提高生產效率和材料利用率有著重要的作用.目前，擴散連接技術仍然存在對加工環(huán)境要求高，加工工藝限制大以及加工設備較難滿足等需要解決的問題.隨著技術的不斷發(fā)展和完善，其發(fā)展空間將會得到更大的拓展，在鈦合金等難加工材料的加工應用中具有廣闊的應用前景.擴散連接技術與超塑成形工藝的結合，為其提供了一種新的發(fā)展方向，使得擴散連接技術能夠推動制造業(yè)更好更快的發(fā)展，在不久的將來必將迎來快速發(fā)展和應用的高峰.

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