发布日期：2025-12-15 20:59:57
引言
随着科技的发展及人们对生活质量要求的日益提高，对轻质、高强材料的需求愈发迫切。钛合金因其具有比强度高 [1-2]、低弹性模量 [3]、低密度 [4-5] 及良好的耐蚀性 [6] 等特性，在航空航天 [7-8]、石油工业 [9] 和船舶 [10] 等领域应用愈发广泛，受到行业高度青睐。
某型航空发动机整流器作为航空发动机关键组成部件，其材料选用TC1钛合金，核心功能为实现气流的调控，要求焊接接头需具备较高强度，且能承受大的交变应力作用而不产生裂纹等缺陷的能力，因此对焊接质量要求很高；此外鉴于该整流器具有复杂的薄壁结构，传统氩弧焊、激光焊等方法容易引发难以控制的焊接变形，导致零件尺寸精度无法满足设计要求，最终影响发动机的工作性能。
经综合考量TC1钛合金的焊接特性及整流器结构，在现有技术条件下，真空钎焊整流器是最合适的焊接方法。但目前对于TC1钛合金真空钎焊方面的研究相对较少，为此，本课题通过对TC1钛合金真空钎焊工艺及其性能进行探索，为整流器的真空钎焊奠定了科研基础。
1、试验条件
1.1 试验用基材
所选用的基材为TC1钛合金，其成分见表 1。
表 1TC1钛合金化学成分 (质量分数) 单位:%
| 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 试验用钎料
本次试验选用与其成分相近的 Ag-Cu-Ti、Ti-Zr-Cu-Ni、BTi3 等 3 种钎料。
2、结果与讨论
2.1 钎料的选定
对采购的 Ag-Cu-Ti、Ti-Zr-Cu-Ni 和 BTi3 等 3 种钎料进行了差热分析，差热分析结果见表 2。
表 2 钎料差热分析结果
| 钎料 | 固相线 /℃ | 液相线 /℃ |
| Ag28Cu1.5Ti | 776 | 788 |
| Ti-Zr-Cu-Ni | 842 | 871 |
| BTi3 | 837 | 843 |
根据差热分析结果及钎焊温度设置原则，Ti-Zr-Cu-Ni 钎料的钎焊温度接近 900℃，因此在 900℃的条件下，对 Ti-Zr-Cu-Ni 钎料开展润湿性试验，试验结果如图 1 所示。Ti-Zr-Cu-Ni 钎料在 900℃的钎焊温度下呈光亮球状形态，几乎无铺展现象，表明钎料在此钎焊温度下的流动性较差，而钎料的流动性不足会使后续钎料对钎缝的填充产生不利的影响。若要改善钎料的铺展性能，则需进一步提升钎焊温度，根据材料手册，TC1 材料组织转变温度为 920~930℃，当温度达到此区间时，其基体组织会发生转变。实际上，在钎焊温度为 900℃时，TC1 钛合金已经出现了组织转变的情况，如图 2 所示，故 Ti-Zr-Cu-Ni 钎料不适用于TC1钛合金的钎焊。本文后续不再开展该钎料的研究，重点研究 Ag-Cu-Ti 和 BTi3 钎料 2 种钎料。
2.2 钎料的润湿性和填隙性
2.2.1 Ag-Cu-Ti 钎料的润湿性和填隙性
根据差热分析结果，对 Ag-Cu-Ti 钎料分别在 820℃×15min、840℃×15min、860℃×15min 三组参数条件下对TC1钛合金试片进行了钎料润湿铺展试验，试验过程中分别采用了水剂黏接剂和二甲苯黏接剂对钎料进行调制，结果如图 3 所示。由图 3 可知，在上述 3 组参数下，Ag-Cu-Ti 钎料均表现出良好的润湿性；且在相同参数下，使用二甲苯黏结剂调制的钎料，其润湿性和铺展性显著优于水剂黏结剂调制的钎料。但鉴于 860℃的钎焊温度接近TC1钛合金材料的组织转变温度，所以选取 820℃×15min、840℃×15min 两组参数进行进一步的填隙性试验，确定 Ag-Cu-Ti 钎料的最佳钎焊规范，填隙性试验结果如图 4 所示。由图 4 可知，840℃×15min 时，钎料的填隙性最佳，填充长度达 116mm。
2.2.2 BTi3 钎料的润湿性和填隙性
对于 BTi3 钎料，采用二甲苯黏结剂对其进行调制，在 860℃×15min 的工艺参数下，开展润湿铺展试验，结果如图 5 所示。由图 5 可知，钎料展现出良好的润湿性，表面呈金属光泽。
在上述钎焊参数下对于 BTi3 钎料进行填隙性试验，其结果如图 6 所示。由图 6 可知，BTi3 钎料在该钎焊参数下展现出良好的填充效果，填充长度达 115mm。
综上所述，为保障TC1钛合金真空钎焊过程中钎料良好的铺展性和填隙性，进而保证钎焊质量，对于 Ag-Cu-Ti 钎料，推荐使用二甲苯黏结剂进行调制，钎焊规范为 840℃×15min；而对于 BTi3 钎料，推荐钎焊规范为 860℃×15min。
2.3 钎缝的性能测试
2.3.1 钎缝的剪切强度
因为钛合金属于特殊焊接材料，其表面对氧化反应具有较高的敏感性，为确保焊接质量，在焊接前需进行酸洗处理，为确定酸洗后焊接的时间控制，对比了酸洗后不同时间对钎焊缝的剪切强度。
采用规格为 100mm×20mm 的TC1板材制备剪切强度测试试片，搭接示意图如图 7 所示，试验选用 Ag-Cu-Ti 钎料进行钎焊，钎焊温度为 840℃，保温时间 15min。剪切强度测试结果如图 8 所示，其中 A 组试片为酸洗后 24h 钎焊，B 组试片为酸洗后 96h 钎焊，C 组试片为酸洗后 140h 钎焊，每组试片均加工 6 个钎焊接头，所有试片钎焊后均进行了 600℃×2~3h 的退火处理，经剪切强度测试断裂部位均在钎缝处。由图 8 可知，随着酸洗后时间的增加，试片剪切强度整体呈下降趋势，且酸洗后 140h 钎焊的接头强度明显低于酸洗后 24h 和 96h 钎焊的试片，基于此，为保证钎焊接头强度，TC1 钛合金钎焊的酸洗后钎焊时间应尽量控制在 96h 内。
2.3.2 钎缝耐腐蚀性能
由于某些钛合金零件的服役环境，需要长期暴露在潮湿的环境中，本研究对 2 种适配性较好的钎料所形成的钎缝进行耐腐蚀性能测试。
依据 GB/T 10125-2021 要求对 Ag-Cu-Ti 钎料钎焊 + 退火后的 2 个 T 型接头钎焊缝开展了时长为 96h 的中性盐雾腐蚀试验，试验结束后，试片置于常温环境下放置 48h 进行后续观察，结果显示 2 个接头的焊缝处钎料均出现严重腐蚀的现象，且伴随白色和绿色腐蚀物产生，如图 9 所示。
依据 GB/T 10125-2021 要求对 BTi3 钎料钎焊 + 退火 (先真空钎焊循环再退火处理) 后的 T 型接头钎焊缝开展了时长为 48、72、96、120、144h 的中性盐雾腐蚀试验，试验结束后，试片置于常温环境下放置 48h 后观察，结果显示，所有试片钎焊缝处均未出现腐蚀现象及腐蚀物，其中经过 72h 中性盐雾腐蚀试验的结果如图 10 所示。
综上所述，Ag-Cu-Ti 钎料形成的钎缝耐盐雾腐蚀性能较差，难以满足三防要求；BTi3 钎料形成的钎缝耐盐雾腐蚀性能较好，可满足抗盐雾腐蚀性能三防要求。
2.4 热循环处理对TC1钛合金基材的影响
为研究钎焊循环对TC1钛合金材料性能和组织的影响规律，设计了对比试验，分别对供应态、钎焊后及钎焊 + 退火后TC1试片开展了室温抗拉强度试验，并对钎焊 + 退火后试片进行金相剖切分析。
2.4.1 对基材强度的影响
为明确钎焊循环对基材强度的影响机制，将TC1试片在 2 种钎料的钎焊循环参数下进行了热循环及后续退火处理，在此基础上分别将供应态、钎焊循环态、钎焊循环 + 退火态处理的TC1试片作为 3 组测试对象进行了剪切强度测试，结果见表 3。由表 3 可知，经历了钎焊循环及钎焊循环 + 退火处理后试片的剪切强度与供应态剪切强度无明显差别，结果表明热循环处理对TC1强度基本无不良影响。
表 3TC1试片室温拉伸剪切强度对比 单位：MPa
| 组别 | 试片 1 | 试片 2 | 试片 3 | 平均值 |
| 供应态 | 805.4 | 798.4 | 796.0 | 800.0 |
| 钎焊循环 (840℃×15min) | 777.5 | 791.5 | 783.2 | 784.1 |
| 钎焊循环 (860℃×15min) | 770.8 | 790.8 | 793.5 | 785.0 |
| 钎焊循环 + 退火 (840℃×15min) | 778.7 | 789.7 | 787.9 | 785.4 |
| 钎焊循环 + 退火 (860℃×15min) | 800.6 | 772.2 | 776.8 | 783.2 |
2.4.2 对基材组织的影响
为确定在该钎焊状态下，两种钎料对TC1钛合金组织的影响机制，对钎焊 + 退火的试片进行了金相剖切，如图 11 所示。
结果表明，2 种钎料钎焊循环 + 退火态的基体组织均保持正常状态，未见过热现象产生，且对基体均未出现溶蚀现象。
3、结论
本课题围绕TC1钛合金真空钎焊技术展开研究，探究了钎料的选定、钎焊循环参数、酸洗时间控制、钎缝性能测试及热循环处理对基材性能影响规律的研究，得到结论如下：
(1) 在TC1钛合金的真空钎焊工艺中，为保证钎料良好的铺展性和填隙性进而保证钎焊质量，选用 Ag-Cu-Ti 钎料时推荐使用二甲苯黏结剂进行调制，钎焊规范为 840℃×15min；而对于 BTi3 钎料，推荐钎焊规范为 860℃×15min；Ti-Zr-Cu-Ni 钎料不适用于该钎焊作业。
(2) 在TC1钛合金的真空钎焊工艺中，随着焊前酸洗后时间的增加，试片剪切强度呈下降趋势，为保证钎焊接头强度，TC1 钛合金钎焊的酸洗后钎焊时间应控制在 96h 内。
(3) Ag-Cu-Ti 钎料形成的钎缝耐盐雾腐蚀性能较差，难以满足三防要求；BTi3 钎料形成的钎缝耐盐雾腐蚀性能较好，可满足抗盐雾腐蚀性能三防要求。
(4) 热循环处理对TC1钛合金基材强度和显微组织基本无显著影响。
参考文献
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（注，原文标题：真空钎焊工艺对TC1钛合金焊缝性能的影响）
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