TC4钛合金和YG8硬质合金的钎焊工艺

陈小勇，李 强，刘海汉，杜 娜

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安710077）

TC4钛合金和YG8硬质合金的钎焊工艺

陈小勇，李 强，刘海汉，杜 娜

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安710077）

针对钛合金和YG8型硬质合金异种材料的真空钎焊工艺和接头可靠性问题展开研究，采用润湿性实验、金相显微镜、显微硬度计、万能拉伸试验机、扫描电子显微镜等实验及测试手段，对Ag94AlMn钎焊试样接头的微观组织结构、维氏硬度、接头剪切强度等进行试验分析。结果表明，银基钎料与钛合金、硬质合金界面冶金结合良好，焊缝表面组织均匀，无微裂纹。钎缝组织为Ag基固溶体，硬质合金母材Co、W元素和钛合金母材Ti、V元素向钎缝内扩散甚少，几乎不发生母材溶蚀；TC4与YG8真空钎焊异种金属真空钎焊，选择银基钎料以及钎焊温度920℃、保温时间10 min的工艺参数，接头剪切强度最高。

钛合金与硬质合金；真空钎焊；银基钎料；工艺参数

0 前言

钛合金的机械性能、焊接性能和耐蚀性能优异，使得钛和钛合金在航空航天和化学工业中的应用日益广泛[1]。硬质合金具有高硬度、耐磨、耐腐蚀以及较稳定的化学性能等，也广泛应用于航空航天等领域。随着高推重比航空发动机的发展，一些发动机的重要部件采用壳体钛合金与局部接触面硬质合金的复合结构，从而满足了新一代高推重比发动机对新型轻质耐高温结构材料的需求以及连接部位高硬度、高耐磨性、轻量化、耐高温的性能要求。因此硬质合金和钛合金的焊接水平[2]成为影响发动机性能的关键因素。在此研究TC4钛合金与YG8硬质合金的真空钎焊技术，以期为钛合金与硬质合金异种金属连接方法提供参考。

1 试验条件和方法

1.1 试验件制备

试验用材料为钛合金TC4和硬质合金YG8。钛合金TC4化学成分见表1。硬质合金YG8化学成分见表2。硬质合金的钎焊性较差[3]，这是因为硬质合金的含碳量较高，未经清理的表面往往含有较多的游离碳，妨碍了钎料的润湿。采用W3.5的研磨膏均匀涂抹在铸铁块上，将硬质合金置于铸铁块表面研磨。铸铁中石墨形成孔洞，可使研磨膏吸附在铸铁块表面，清除硬质合金表面的氧化物。需注意的是，硬质合金由于加工过程中的缺陷，经常有孔洞产生，不能将其作钎焊面[4]。

表1 TC4合金化学成分 %

表2 YG8硬质合金母材化学成分 %

1.2 钎料选择

选择合适的钎料是保证获得优质钎焊接头的关键因素之一，应综合考虑钎料和母材的物性匹配、钎焊件的使用工况要求、现有设备条件以及经济因素等方面。

就钛合金而言，可选择的钎料[1]有银基钎料、Ti基钎料和Al基钎料等，而对于硬质合金可选择钎料有Ag基、Cu基、Mn基等。Ti基钎料和Al基钎料均不适合硬质合金的钎焊，Mn基钎料不适合钛合金钎焊，从经济效益、成本控制方面综合考虑，在公司现有钎料中初步选择银基钎料进行TC4与YG8异种金属的真空钎焊试验。将片状钎料Ag94AlMn剪成5 mm×13 mm尺寸，用W40砂纸去除表面氧化物，钎料化学成分和钎焊温度如表3所示。

表3 Ag94AlMn钎料化学成分和钎焊温度

Ag94AlMn钎焊温度850℃～950℃，每20℃一个间隔，共6个温度点。由于硬质合金在钎焊后不能快速冷却，故采用随炉冷却，而随炉冷却由设备本身冷却系统决定其冷却速率，因此确定焊接工艺参数时不选择该参数。

1.3 试验方法

（1）润湿试验。试验采用测润湿角法，即将定量钎料放在母材上，采取相应的去膜措施，在规定温度下保持一定时间后随炉冷却，测出钎料的润湿角θ，θ角越小，润湿性越好。钎料铺展性试验的试样为板状，其尺寸和放置位置如图1所示。Ag94AlMn质量0.15g，允许偏差±0.1%，置于中间。

图1 铺展试验用试验件示意

（2）环状接头模拟试验。试验件实物外观如图2所示。试验件主体为TC4合金，表面凹槽内嵌入YG8硬质合金片，以增强钛合金基体接触面的耐磨性能，提高钛合金基体滑动接触面的服役周期。设计图样及加工尺寸如图3所示。

图2 试验件实物照片

图3 试验件设计图样及加工尺寸

2 试验结果及分析

2.1 润湿试验

钎料和母材的成分对润湿性能有决定性的主导作用，它们之间存在以下规律：如果钎料与母材在液态和固态均不相互作用，则二者之间的润湿性很差；若钎料与母材相互溶解形成化合物，则液态钎料能较好地润湿母材[5]。润湿性试验如表4所示。对于硬质合金母材，Ag94AlMn钎料润湿角最小为5°，最大为11°；对于钛合金TC4，Ag94AlMn钎料润湿角最小为3°，最大为6°。银基钎料提高了硬质合金和TC4的润湿性，且银基钎料对TC4的润湿性好于硬质合金。

表4 不同温度下Ag94AlMn钎料对母材的润湿角

2.2 Ag94AlMn钎焊接头成分及组织

钎焊接头处的线扫描能谱图如图4所示，采用Ag94MnAl钎料钎焊硬质合金和TC4合金，钎料内并没有如前两类钎料的性质改变的现象，钎缝内还是Ag基组织。虽然AgTi可形成金属间化合物，但是在950℃焊接温度下，各化学计量比的Ag-Ti金属间化合物均为固态，如图5所示。由此可预见钎焊开始时，TC4合金表面处会形成一层Ag-Ti金属间化合物，这层金属间化合物层的存在增大了液态钎料中Ag继续向TC4合金母材内扩散的阻力，不利于界面处成分均匀化，从图6可观察到明显的钎焊界面层。

分析Ag-Co相图（见图7）可知，Ag与Co既不互溶也不形成金属间化合物，因此Ag基钎料对硬质合金基体的侵蚀性较弱。此外，Ag、Mn、Al对C的化学势均较低，不易造成硬质合金与钎料界面处WC脱碳形成脆性相，若仅仅从钎料的硬脆性和钎料对母材的溶蚀角度来考虑，Ag基钎料非常适合硬质合金与TC4合金的钎焊。此外，Ag基钎料的弹性模量和硬度均较低，塑性较好，能很好地缓释母材直接的热应力，在图6a中并未发现施焊后即出现应力开裂的现象。综合考虑，采用Ag基钎料钎焊硬质合金与TC4合金会获得良好效果。

2.3 硬度值测试

图4 用Ag94MnAl钎料进行钎焊获得接头的线扫描结果

图5 Ag-Ti相图

银基钎料接头硬度分布如图8所示，从图中可以看出钎料/硬质合金界面硬度陡升明显，钛合金/钎缝界面硬度也有差异，钎料区域硬度最小。焊缝/硬质合金区域硬度高是钴和钨的少量扩散造成，钎缝区域硬度小是因为钎缝成分含有合金元素。

2.4 接头剪切强度

在CMT-5205电子万能试验机上测定接头的室温剪切强度，加载速度0.5 mm/min，采用银基钎料在不同温度和保温时间下钎焊TC4及YG8硬质合金，钎焊接头强度如表5所示。

图6 银基钎料接头金相组织

图7 Ag-Co相图

由表5可知，银基钎料在钎焊温度920℃、保温时间10 min的工艺参数下剪切强度最高。温度太高或太低都不利于提高接头强度。钎焊温度从两个方面影响接头性能：一是润湿方面，二是元素扩散方面。从润湿方面来看，920℃下钎焊，钎料流动性和润湿性（见表4）较好，钎缝易被充分填充；若温度过低，则钎料润湿性不佳易产生孔洞等缺陷，导致接头性能下降。润湿性是形成优质接头的第一步，比润湿性更重要的是钎料与母材的冶金结合程度，这取决于元素扩散。

图8 银基钎料接头硬度分布

表5 不同温度、保温时间参数接头剪切强度

3 结论

从钎缝组织、接头强度、接头应力水平等角度系统评价钎料，采用理论、试验相结合的方法优选出适合TC4合金与YG8硬质合金钎焊的最佳钎料体系，并成功实现TC4钛合金和YG8硬质合金的的可靠连接并应用实际。

（1）当银基钎料在钎焊温度920℃、保温时间10 min时，剪切强度最高，并且钎料流动性较佳。

（2）钎料与钛合金、硬质合金界面冶金结合良好，焊缝表面组织均匀，无微裂纹。钎缝形成以Mn、Al元素为主要固然元素的Ag基固溶体。

（3）硬质合金母材Co、W元素和钛合金母材Ti、V元素各分布其侧，向钎缝扩散甚少，Ag元素在钎缝均匀分布。

[1] 常辉，罗国珍.钛合金用钎焊材料的发展评述[J].稀有金属材料与工程，1995，24（1）：15-20.

[2]吴欣，康慧，朱颖，等.TC4钛合金真空钎焊的研究[J].航空制造技术，2004（9）：67-69.

[3]周振丰.焊接冶金学：金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1995.

[4]陆杨，王海龙.40Cr钢与YG8硬质合金的真空钎焊工艺研究（基于CuMnNi钎料）[D].江苏：江苏科技大学，2007.

[5]常松，郝兆星.陶瓷和金属的钎焊[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），1997（4）：410-414.

Brazing technology of TC4 titanium alloy and YG8 cemented carbide

CHEN Xiaoyong，LI Qiang，LIU Haihan，DU Na
（AECC Xi'an Engine Control Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710077，China）

Carries out studies aiming at vacuum brazing technology and joint reliability problems of titanium alloy and YG8 hard alloy dissimilar materials，the microstructures，Vickers hardness and joint shear strength of Ag94AlMn brazing joint are tested and analyzed by wetting experiment，metallographic microscope，microhardness tester，tensile testing machine，scanning electron microscope experiment and test method.The test results show that the silver based solder are well bonded with titanium alloy and cemented carbide，the surface of weld is uniform and no micro cracks.The brazing structure is Ag-based solid solution，the cemented carbide base material Co，the W element and the Titanium alloy base material Ti，V elements diffuse little in the brazing seam，almost no base material dissolution；TC4 and YG8 vacuum brazing of dissimilar metal vacuum brazing，choose silver based solder and brazing temperature of 920℃，holding time of 10 min，the maximum shear strength of the joint.

Titanium alloy and hard alloy；vacuum brazing；silver solder；process parameters

TG454

B

1001－2303（2017）03－0093-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.18

献

陈小勇，李强，刘海汉，等.TC4钛合金和YG8硬质合金的钎焊工艺[J].电焊机，2017，47（03）：93-97.

2016-09-10；

2017-03-03

陈小勇（1977—），男，陕西蒲城人，高级工程师，硕士，主要从事焊接工艺和生产现场的管理工作。