鈦及鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、良好的耐熱性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能優(yōu)異的金屬結(jié)構(gòu)材料 [1] ，廣泛應(yīng)用于航天航空、電力、生物醫(yī)療、石油化工等領(lǐng)域 [2] 。焊接是鈦合金連接中最常見(jiàn)的方式之一。由于鈦及鈦合金的化學(xué)活性大，易被氧氣、氮?dú)?、氫氣污染，無(wú)法采用焊條電弧焊、氧乙炔（或氧丙烷等）氣焊、CO2焊、原子氫焊等方式焊接。目前，鈦及鈦合金與其他材料的主要焊接方法有氬弧焊、電阻焊、釬焊、激光焊、電子束焊、摩擦焊等 [3-4] 。釬焊具有釬焊工件變形量小、釬焊溫度低、焊接變形小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，且在加工過(guò)程中采用釬焊方式可以有效控制焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的精密成形，因此釬焊是一種連接鈦及鈦合金自身以及其他材料的有效方法 [5] 。
鈦及鈦合金釬焊料的選擇對(duì)釬焊效果和接頭質(zhì)量具有重要影響。用于鈦及鈦合金釬焊的釬料包括銀基釬料、鈀基釬料、鋁基釬料、鈦基釬料 4 大類。鈦基釬料是鈦基材料和其他高溫材料釬焊連接最主要的材料之一，具有潤(rùn)濕性能好、耐腐蝕性好、高溫強(qiáng)度高等特點(diǎn)。本文分析概括了常用的鈦及鈦合金釬焊料，歸納總結(jié)了鈦及鈦合金釬焊料的特點(diǎn)，系統(tǒng)介紹了鈦及鈦合金與其他材料釬焊的應(yīng)用，最后展望了鈦及鈦合金釬焊技術(shù)的發(fā)展方向。
1、 鈦及鈦合金釬焊料的分類
國(guó)內(nèi)外學(xué)者已廣泛研究了鈦及鈦合金釬焊所用的釬焊料，主要包括銀基、鈀基、鋁基、鈦基釬料等。研究主要圍繞釬料的特性﹑釬焊工藝以及釬料組分對(duì)接頭界面組織及力學(xué)性能的影響、釬焊接頭斷裂特性和釬料設(shè)計(jì)新方法等方面展開(kāi) [6] 。
銀基釬料是在銀合金的基礎(chǔ)上加入銅、鋅、錫、鎘等合金元素 [7] ，包括純 Ag、Ag-Cu [8-9] 、Ag-Cu-Zn [10] 、Ag-Cu-Sn [11-12] 、Ag-Cu-Ti [13-14] 、Ag-Cu-Ni [15] 、Ag-Sn-Ti、Ag-Cu-Ti-B [16] 、Ag-Cu-Sn-N [17-18] 、Ag-Cu-Ti-In [8] 系釬料等，具有熔點(diǎn)較低、潤(rùn)濕性能良好、強(qiáng)度高、塑性好、韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為應(yīng)用較為廣泛的硬釬料，能夠用于釬焊大部分黑色和有色金屬（除鋁、鎂、低熔點(diǎn)合金等），其應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車制造、家用電器、電力能源、超硬工具等 [19-20] 。GB/T 10046—2008《銀基釬料》中規(guī)定了若干種銀基釬料的牌號(hào)。生產(chǎn)上常用的銀基釬料化學(xué)成分及釬焊溫度如表1所示。
鈀基釬料的熔化溫度較高，耐腐蝕性能較好，適用于高溫釬焊，且高溫下獲得的釬焊接頭強(qiáng)度高，能夠釬焊耐熱合金、難熔金屬、金屬與石墨、陶瓷與金屬等 [21-22] 。鈀基釬料已廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、夜視系統(tǒng)、核能、導(dǎo)彈等多個(gè)領(lǐng)域。將鈀基釬料按照用途分類，可分為電子工業(yè)分級(jí)釬焊用釬料、高溫耐熱型釬料和特殊性能釬料三類；按照釬料組成分類，可分為Pd-Ni、Pd-Cu、Pd-Au、Pd-Ag、Pd-Co、Cu-Ag-Pd、Ni-Pd-Cr、Ni-Pd-Mn、Ag-Pd-Mn等合金釬料。目前，我國(guó)已經(jīng)制定了鈀基釬料的專用標(biāo)準(zhǔn)。
表2 列出了常用鈀基釬料的化學(xué)成分和熔化溫度。
鋁基釬料主要包括純 Al、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu 系等 [23] ，其中 Al-Si 釬料憑借其較好的鋪展性、潤(rùn)濕性、耐腐蝕性和可加工性，應(yīng)用最為廣泛 [24] 。與銀基釬料相比，鋁基釬料的釬焊接頭性能較好，但鋁基釬料熔點(diǎn)較高，在釬焊過(guò)程中加熱溫度與釬焊溫度接近，會(huì)導(dǎo)致母材出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象 [25-26] ，因此需要在釬焊過(guò)程中嚴(yán)格控制加熱溫度。在鋁基釬料中添加Ni、Cu、Mg、Zn 等元素可獲得不同溫度與性能的釬料 [27-29] 。
表3給出了常用鋁基釬料的化學(xué)成分和熔化溫度。
鈦基釬料潤(rùn)濕性能好，釬焊接頭耐腐蝕、高溫強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，可得到性能優(yōu)異的釬焊接頭。鈦基釬料中的 Ti 元素能夠給釬料提供活性，Cu、Ni 作為降低熔點(diǎn)元素與 Ti 元素結(jié)合 [30-31] ，同時(shí)在釬料中加入與 Ti 位于同一副族且互溶的 Zr 元素可進(jìn)一步降低熔點(diǎn)，也可提高非晶形成能力和潤(rùn)濕性 [32] 。另外，在釬料中加入Co、Nb、Mo、V、Be 等合金元素可有效降低熔化溫度、抑制金屬間化合物形成及有害元素?cái)U(kuò)散，從而得到高性能的特種鈦基釬料 [33] 。目前，已開(kāi)發(fā)的鈦基釬料有Ti-Cu-Ni、Ti-Cu-Be、Ti-Zr-Cu、Ti-Zr-Be、Ti-Zr-Ni-Be、Ti-Zr-Cu-Ni 等系列，其化學(xué)成分、熔化溫度及釬焊溫度見(jiàn)表 4。
利用銀基釬料釬焊鈦及鈦合金時(shí)，得到的釬焊接頭耐腐蝕性能和抗氧化性較差，且銀金屬和鈦金屬二者線膨脹系數(shù)相差較大，導(dǎo)致釬焊接頭在應(yīng)力作用下極易出現(xiàn)裂紋，一定程度上影響了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。鈀價(jià)格昂貴，成本較高，且部分鈀基釬料有毒，因此將貴金屬鈀作為釬料應(yīng)用的較少。鋁基釬料不僅熔點(diǎn)較高，還存在釬焊接頭耐腐蝕性差、脆性較大、強(qiáng)度較差等缺陷。與銀基、鈀基、鋁基釬料相比，鈦基釬料的釬焊接頭性能更好，且強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐熱性均較好，是釬焊鈦合金與其他材料的最佳選擇。
2、 釬焊技術(shù)
釬焊要求釬料的熔點(diǎn)低于母材固相線溫度，且釬焊溫度至少超過(guò)釬料液相線 25 ℃ [34-35] ，具體主要分為兩步：一是液態(tài)釬料填充進(jìn)縫隙的過(guò)程；二是熔化后的釬料與基材相互擴(kuò)散發(fā)生冶金結(jié)合的過(guò)程。釬焊主要有以下優(yōu)點(diǎn) [36-37] ：① 精度高，構(gòu)件各部分變形量小，受熱均勻，適用于精密小巧的構(gòu)件連接；② 可根據(jù)母材的熔點(diǎn)設(shè)計(jì)出合適的釬料；③ 生產(chǎn)效率高，可以完成許多其他焊接技術(shù)無(wú)法完成的工作；④ 對(duì)于不同種類材料焊接件的連接具有較大優(yōu)勢(shì)。
鈦基釬料的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 70 年代，發(fā)展初期應(yīng)用于熱交換器、自行車架等釬焊中，目前已廣泛應(yīng)用于金屬、石墨、陶瓷及復(fù)合材料的釬焊中。
2.1 鈦及鈦合金的釬焊連接
TiAl、TC4、TC17 等鈦合金性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中 [38] 。通過(guò)釬焊異質(zhì)鈦合金可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，在制造復(fù)合材料部件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
Ren 等人[39] 使用新型釬焊填料 Ti-(20~24)Ni-(13~16) Nb-(9~12) Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)釬焊 Ti2AlNb 合金與TiAl 金屬間化合物，釬焊溫度為 1000 ℃，保溫時(shí)間分別為 5、10、15 min。對(duì)釬焊接頭進(jìn)行了剪切試驗(yàn)以及納米壓痕試驗(yàn)，并研究了釬焊保溫時(shí)間對(duì)釬焊接頭顯微組織與力學(xué)性能的影響。研究表明，隨著釬焊保溫時(shí)間的增加，Ti2Ni 相的數(shù)量先減少后增加，Ti3Al 相的平均晶粒尺寸先增大后減小，保溫時(shí)間為 15 min 時(shí)釬焊接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大（271 MPa），并且釬焊接頭內(nèi)的硬質(zhì) Ti2Ni 相有利于提高釬焊接頭的強(qiáng)度。
Du 等人 [40] 使用 TiZrCuNi 合金粉末真空釬焊 TC17和 Ti2AlNb 合金，研究了釬焊溫度對(duì)釬焊接頭顯微組織、力學(xué)性能與剪切過(guò)程中應(yīng)力分布的影響。釬焊溫度升高時(shí)金屬間化合物（IMC）逐漸消失，當(dāng)釬焊溫度升高到970 ℃時(shí)，釬焊界面由均勻的 β 固溶體組成。此外，隨著釬焊溫度升高，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度增大，當(dāng)釬焊溫度為 970 ℃時(shí)釬焊接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值 529 MPa。
Liang 等人 [41] 采用 Ti-38Zr-24Ni（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）釬料真空釬焊 TC4 鈦合金，釬焊溫度為 930 ℃，保溫時(shí)間為 10 min，釬焊間隙從 0 到 200 μm 不等。當(dāng)釬焊間隙較窄時(shí)，釬焊接頭中存在2個(gè)反應(yīng)區(qū)，分別為擴(kuò)散區(qū)和界面區(qū)（圖 1a）；當(dāng)釬焊間隙較寬時(shí)，釬焊接頭中存在3 個(gè)反應(yīng)區(qū)，分別為擴(kuò)散區(qū)（Ⅰ區(qū)）、界面區(qū)（Ⅱ區(qū)）和中心區(qū)（Ⅲ區(qū)）（圖 1c）。釬焊接頭顯微組織及主要元素分布如圖1所示，擴(kuò)散區(qū) A1 、A2 、E1 、E2由共晶結(jié)構(gòu)α -Ti、(Ti,Zr)2Ni 和殘余基金屬組成，界面區(qū) B1、B2、F1、F2由共晶結(jié)構(gòu)(Ti,Zr)2Ni 和 α -Ti 組成，中心區(qū) C1-C 5 由大塊脆性的(Ti,Zr)2Ni 金屬間化合物和大量的共晶結(jié)構(gòu)(Ti,Zr)2Ni 和 α -Ti 組成。隨著釬焊間隙的增大，焊縫寬度
和中心區(qū)寬度增大，同時(shí)，由于中心區(qū)脆性(Ti,Zr)2Ni金屬間化合物的增加，釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)釬焊間隙為 0 μm，時(shí)釬焊接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值 872 MPa。
2.2 鈦及鈦合金與 C/C 復(fù)合材料的釬焊連接
C/C 復(fù)合材料與石墨相比密度更低，強(qiáng)度更高，耐磨損性能更好，廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域。
目前，C/C 復(fù)合材料自身以及與異種金屬材料的連接主要采用釬焊。
宋忻睿等人 [42] 使用 TiCuZrNi 作為釬料釬焊 C/C 復(fù)合材料與 Ti6Al4V 合金，并在釬料中分別添加碳納米管、石墨顆粒、石墨烯微片，分析了釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。圖2為不同釬焊溫度下C/C復(fù)合材料與Ti6Al4V合金釬焊接頭的界面形貌。圖3為不同釬焊保溫時(shí)間下 C/C 復(fù)合材料與Ti6Al4V 合金釬焊接頭的界面形貌。當(dāng)釬焊溫度較低時(shí)，C/C 復(fù)合材料與釬料的連接界面處沒(méi)有形成 TiC 反應(yīng)層，當(dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)，TiC 反應(yīng)層呈不連續(xù)狀，焊縫中的 Ti 固溶體（Ti ss ）含量較少；而當(dāng)釬焊溫度較高或者保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，TiC 反應(yīng)層變厚，焊縫中的 Ti ss 相含量增多。釬焊溫度為 940 ℃，保溫時(shí)間為 10 min 時(shí)，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值（22.3±3.5）MPa。釬焊溫度和保溫時(shí)間適中時(shí)，斷裂部位主要在 C/C 復(fù)合材料中；釬焊溫度和保溫時(shí)間不合適時(shí)，斷裂部位主要在 TiC層中。
Li等人 [43] 使用新型釬焊填料Ti-Ni-Si釬焊C/C復(fù)合材料與TiAl 合金，釬焊溫度為1060 ℃，保溫時(shí)間為10 min，研究了添加 Cu 中間層對(duì)釬焊接頭結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)僅使用 TiNiSi 釬料時(shí)，釬焊接頭生成大量脆性的金屬間化合物，導(dǎo)致連接失?。划?dāng)加入 Cu 中間層時(shí)，C/C 復(fù)合材料與 TiAl 合金完全連接，有效調(diào)節(jié)了界面結(jié)構(gòu)，提高了釬焊接頭強(qiáng)度。在室溫下，釬焊接頭平均抗剪強(qiáng)度為18.8 MPa，最大抗剪強(qiáng)度為 23.6 MPa。
2.3 鈦及鈦合金與不銹鋼的釬焊連接
鈦合金/不銹鋼復(fù)合構(gòu)件具有耐腐蝕性良好、輕量化和高比強(qiáng)度等特點(diǎn)，在工程上有著巨大的應(yīng)用潛力。鈦基釬料是釬焊鈦合金與不銹鋼的最佳釬料之一，目前所使用的鈦基釬料包括Ti-Zr-Cu、Ti-Cu-Ni 和Ti-Zr-Cu-Ni 體系。Xia 等人 [44] 使用 Ti 33.3 Zr 16.7 Cu 50-x Ni x 非晶填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 316L 不銹鋼，研究了 Ni 含量對(duì)釬料潤(rùn)濕性以及對(duì)釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在釬料中添加 Ni 降低了釬料的潤(rùn)濕性能，從而使得焊縫變厚，當(dāng) Ni 原子分?jǐn)?shù)為 11%時(shí)釬料潤(rùn)濕性最差，但此時(shí)釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值 318 MPa。
Xia 等人 [45] 使用 Ti 50-x Zr x Cu 39 Ni 11 非晶填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 316L 不銹鋼，設(shè)定釬焊溫度為960 ℃，釬焊時(shí)間為 10 min，研究了 Zr 含量對(duì)釬料潤(rùn)濕
性以及對(duì)釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Zr 含量相同時(shí)，相較于 316L 不銹鋼，釬料在 TC4鈦合金側(cè)的擴(kuò)散面積整體較大，能更好地潤(rùn)濕 TC4 鈦合金；當(dāng) Zr 含量逐漸增加時(shí)，釬料在兩種基體上的擴(kuò)散面積均先增大后減小，同時(shí)釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度也先增大后減?。划?dāng) Zr 含量為 22.2%（原子分?jǐn)?shù)）時(shí)釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值 238 MPa。
Xia 等人 [46] 使用 Ti-Zr-Cu 非晶態(tài)填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 316L 不銹鋼，研究了釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。釬焊接頭的316L不銹鋼側(cè)生成了TiFe/(Fe,Cr)2Ti/σ-相＋Fe ss （Fe固溶體）三層薄反應(yīng)層，這些脆性金屬間化合物的形成影響了釬焊接頭的力學(xué)性能。釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度隨著釬焊時(shí)間的增加先升高后降低，而當(dāng)釬焊溫度升高時(shí)，釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度持續(xù)提高，在 950 ℃下保溫 10 min時(shí)釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值 65 MPa。
2.4 鈦及鈦合金與陶瓷的釬焊連接
陶瓷材料因其高溫性能好、耐腐性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在與塑性高、韌性好的金屬材料連接中得到了廣泛應(yīng)用，但由于陶瓷硬度較高，有較大脆性，因此將陶瓷和鈦合金釬焊連接在發(fā)揮兩者共有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也存在一些難點(diǎn)，主要難點(diǎn)是減少陶瓷的脆性以及提高陶瓷表面氧化物的潤(rùn)濕性能等，其解決方法通常是在釬料中添加適量活性元素或采用特殊釬料。目前，與鈦及鈦合金釬焊連接的陶瓷材料有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等。Hu 等人 [47] 使用 Ti-Zr-Ni-Cu 釬料真空釬焊連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋰鋁硅酸鹽玻璃陶瓷基復(fù)合材料（Cf/LAS 復(fù)合材料）與 Ti60 合金，研究了釬焊溫度對(duì)釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。當(dāng)釬焊溫度升高時(shí)，界面組織隨之發(fā)生明顯變化，Cf/LAS 復(fù)合材料與中間層之間的帶狀Ti 固溶體和反應(yīng)層的厚度逐漸增大，同時(shí)，釬焊接頭的力學(xué)性能也隨之先升高后降低。當(dāng)釬焊溫度為 950 ℃、保溫時(shí)間為 10 min 時(shí)，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值38.13 MPa。釬焊接頭的斷裂路徑會(huì)隨著釬焊溫度的升高而發(fā)生變化。
Liang 等人 [48] 使用 Ti 35 Zr 25 Be 30 Co 10 非晶態(tài)填充金屬作為釬料釬焊 TC4 鈦合金和 ZrO2陶瓷，研究了釬焊溫度、保溫時(shí)間以及反應(yīng)層厚度對(duì)釬焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬焊溫度較低、保溫時(shí)間較短時(shí)，鈦氧化層以島狀生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)；當(dāng)釬焊溫度較高、保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，鈦氧化層先呈現(xiàn)不連續(xù)的島狀，然后變?yōu)檫B續(xù)狀，其厚度不斷增加；當(dāng)鈦氧化層變?yōu)檫B續(xù)狀且厚度不再增加時(shí)，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值 180 MPa。鈦氧化層過(guò)厚時(shí)會(huì)導(dǎo)致釬焊接頭發(fā)生脆性斷裂。
從上述鈦及鈦合金釬焊研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬焊連接鈦及鈦合金時(shí)，釬焊接頭性能較好且無(wú)明顯薄弱位置，這是由于兩側(cè)母材具有相容性，并且金屬間化合物的組成元素逐漸擴(kuò)散到釬焊接頭中，最終釬焊接頭組織主要由 Ti 基固溶體組成。當(dāng)釬焊鈦合金與不銹鋼時(shí)，得到的釬焊接頭抗剪強(qiáng)度較大，而與石墨、C/C 復(fù)合材料及陶瓷焊接時(shí)，抗剪強(qiáng)度較小。分析認(rèn)為，釬焊接頭性能主要受脆硬性金屬間化合物的影響，如何有效減少焊縫組織中金屬間化合物的含量是提高釬焊接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵。
3、 結(jié) 語(yǔ)
鈦及鈦合金與異種材料釬焊連接有助于結(jié)合兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，獲得強(qiáng)度高、高溫性能好的結(jié)構(gòu)件。為獲得性能更加優(yōu)異的鈦合金連接構(gòu)件，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面。
(1) 研究和開(kāi)發(fā)實(shí)用性強(qiáng)、成本低的新型活性釬料，開(kāi)展在鈦基釬料中添加各種合金元素的研究，以提高釬焊接頭性能，減少脆硬性金屬間化合物的生成。
(2) 優(yōu)化鈦合金釬焊工藝，合理控制釬焊工藝參數(shù)，以改善釬焊接頭的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性。
(3) 利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真技術(shù)建立鈦合金釬焊過(guò)程模型，以優(yōu)化釬焊工藝參數(shù)和釬料成分，分析釬焊接頭組織演化過(guò)程。該方法能夠在很大程度上縮減實(shí)驗(yàn)周期和實(shí)驗(yàn)量，為鈦及鈦合金釬焊的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。
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