文章编号：1004-0609(2015)-03-0662-06

Ti₂AlNb基合金固态扩散连接工艺

李贝贝¹，王  斌²，李  萍¹，刘雨生¹，薛克敏¹

(1. 合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009；

2. 中国航天科工集团 第三研究院 306研究所，北京 100074)

摘  要：采用真空热压扩散工艺，进行Ti₂AlNb基合金的固态扩散连接，利用扫描电子显微镜及拉伸试验，对连接界面进行了组织和性能分析。结果表明：Ti₂AlNb基合金扩散连接对连接温度十分敏感，当温度为950 ℃时，合金的抗强度最大且拉伸断口由大量等轴状韧窝组成，具有典型的韧性断裂特征；增大连接压力有利于界面冶金结合，但实际中希望压力尽可能小；保温时间决定扩散层深度，当保温时间为120 min时，扩散层深度约为2 μm，连接面实现了良好的冶金结合。通过实验确定了较佳连接工艺规范为温度950 ℃，压力10~15 MPa，时间120 min。

关键词：金属间化合物；Ti₂AlNb基合金；界面；扩散连接

中图分类号：TG146.2　　     文献标志码：A

Solid diffusion bonding of Ti₂AlNb-based alloy

LI Bei-bei¹, WANG Bin ², LI Ping¹, LIU Yu-sheng¹, XUE Ke-min¹

(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

2. 306 Research Institute, The Third Research Academy of

China Aerospace Science and Industry Corporation, Beijing 100074, China)

Abstract: Ti₂AlNb-based alloy diffusion bonding was prepared by the vacuum warm compaction diffusion method, the structures and performances of the bonding interfaces were analyzed by scanning electron microscope and tensile test. The results indicate that Ti₂AlNb-based alloy diffusion bonding is sensitive to temperature, when temperature is 950 ℃, the tensile strength is the largest, and the tensile fracture is composed of a lot of toughening nests, which shows typical ductile fracture characteristics. Increasing connection pressure is beneficial to the metallurgical bonding interface, but in reality, low pressure is expected. The depth of diffusion layer is determined by heat preservation time, when the time is 120 min, the depth is about 2 μm, the junction surface achieves good metallurgical bonding. The better parameters are determined by experiment, which are temperature 950 ℃, pressures 10-15 MPa, time 120 min.

Key words: intermetallic compound; Ti₂AlNb-based alloy; interface; diffusion bonding

在Ti₃Al基合金韧化机制的研究过程中，印度学者BANERJEE等^[1]于1988年首先发现了Ti₂AlNb相，具有CmCm晶体结构，属于正交系的有序相，又称为O相。作为典型的Ti-Al系金属间化合物，Ti₂AlNb基合金具有较高比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力，且具有较好的抗氧化性、无磁性等优点，可在600~800 ℃长时间使用、1000 ℃以上短时间使用。这些优异的性能使Ti₂AlNb基合金成为最具潜力的航空航天高温结构材料^[2-9]。

关于Ti₂AlNb基合金的研究多集中在合金成分设计、热加工成形、材料组织与性能的控制方面^[3-12]，由于宇航部件结 构复杂，多为同种或异种材料连接，因此，Ti₂AlNb基合金的焊接研究是此类材料推广应用的关键问题。Ti₂AlNb基合金的合金化程度高、热导率低、热应力大，属于难焊接材料^[10-14]，迄今为止，关于该合金焊接的研究还非常有限。固态扩散连接在制作结构简单的构件时更易获得室温和高温强度更理想的接头^[15-18]。

本文作者对Ti₂AlNb基合金的扩散连接工艺进行了实验研究，并利用扫描电子显微镜(SEM)、拉伸试验等测试分析手段，对合金材料的结合界面进行组织及性能分析，研究结果为Ti₂AlNb基合金的实际应用提供指导。

1  实验

1.1  实验材料

研究所用材料为Ti₂AlNb基（O相)合金，材料密度为5.278 g/cm³，合金室温下的抗拉强度为1126 MPa。合金的原始显微组织如图1所示，由O相、B2相和α₂相组成，初生的α₂相或O相等轴颗粒及二次的α₂/O相细板条分布于连续的B2相基体中，该Ti₂AlNb基合金组织为双态组织，该组织具有良好的综合性能。

图1  Ti₂AlNb基合金原始显微组织

Fig. 1  Original microstructure of Ti₂AlNb-based alloy

1.2  实验方法

采用真空热压扩散工艺进行扩散连接实验，试样尺寸为d 38 mm×22 mm，连接前对待焊表面依次用240~2000号砂纸依次进行打磨，并将打磨后的试样放入丙酮中进行超声波清洗、烘干。连接过程中，要求真空度达到1×10^-4 Pa，以一定的加热速率达到扩散连接温度，保温一段时间后加压到所需压力，并保压至扩散连接所需时间后卸载、炉冷，扩散连接工艺参数为连接温度、保温时间及连接压力。

合金进行室温拉伸试验，拉伸试样均从扩散连接后的试样上截取，并保证连接界面位于拉伸试样的中间位置。试样经线切割制备后放在超声波清洗器中洗去污垢，分别用240号、400号、800号、1000号型号砂纸磨除线切割痕迹。室温拉伸试验在MTS-810试验机上进行，室温拉伸试验应变速率为1.2×10^-2 s^-1。

在线切割设备上切取8 mm×10 mm×5 mm的矩形小试样，经过多道砂纸打磨平整后分别进行机械抛光和电解抛光，并采用Kroll试剂对抛光面进行腐蚀。电解抛光电解液配比为：6%高氯酸+60%甲醇+34%正丁醇(体积分数)，抛光温度为-40 ℃左右，抛光电流为0.80 A，抛光时间约90 s。Kroll试剂由HF、HNO₃和H₂O组成，各组分体积比为V(HF):V(HNO₃):V(H₂O)= 1:3:7，各试样腐蚀时间均为15 s。采用FEI Quanta 200 FEG场发射扫描电子显微镜观察接头的显微组织及拉伸断口形貌，研究连接温度、连接压力及保温时间对扩散连接接头质量的影响，从而确定Ti₂AlNb基合金扩散连接的最佳工艺参数。

2  结果与分析

2.1  连接温度的影响

连接温度的变化会对连接初期表面凸出部位的塑性变形、扩散系数、表面氧化物向母材内的溶解以及界面孔洞的消失过程等产生显著影响。连接温度对材料的扩散十分重要，根据扩散定律，扩散系数D与扩散温度T有如下指数关系^[9,13-18]：

                            (1)

式中：D₀为扩散常数；Q为扩散激活能；R为摩尔气体常数；T为扩散温度。可知，温度越高，扩散系数越大，扩散温度T越高，供金属原子扩散所需要的能量越高，界面间原子相互扩散的程度就越大。同时，温度越高，金属的塑性变形能力越好，连接表面达到紧密接触所需要的压力越小。所以，在一定的温度范围内，连接温度越高，越有利于提高接头强度。但是，连接温度同时受到连接材料物理、冶金等方面的限制，再结晶和晶粒长大等因素又可能造成接头质量的下降^[9,13-18]。由此可见，扩散连接温度是一个十分关键的工艺参数，选择时要综合考虑各种因素，应在尽可能短的时间内，尽可能小的连接压力下达到良好的连接，而又不损害母材的组织和性能。扩散连接温度大都在0.5θ_m~0.7θ_m(θ_m为母材熔化温度)范围内，针对Ti₂AlNb基合金，选择扩散连接的温度范围为900~980 ℃。图2所示为压力为15 MPa、保温时间为120 min时不同连接温度下所得连接件的抗拉强度。由实验结果可知，扩散连接接头的抗拉强度对连接温度十分敏感。随着扩散连接温度的增高，接头的抗拉强度也随之升高，当温度达到950 ℃时，抗拉强度最大。此后，随着扩散连接温度的增高，接头的抗拉强度反而降低。因此，950 ℃是取得良好接头的扩散连接温度条件。

图2  温度对扩散连接抗拉强度的影响

Fig. 2  Influence of temperature on tensile strength of diffusion bonding

图3所示为p=15 MPa、t=120 min条件下连接温度分别为920和950 ℃时扩散连接接头组织的背散射电子像。由图3可见，920 ℃条件下存在大量的未闭合孔洞，950 ℃时扩散充分，形成良好的焊接接头。说明温度低的情况下，连接界面及其附近处的原子扩散不够充分，使得孔洞收缩相对困难，因而焊合率（指焊合良好的界面线长度与试样被检查界面线长度之比)低；温度越高，在相同连接压力情况下，在扩散连接的初期阶段，连接界面即可形成较大面积的可靠物理接触，即有更多的原子扩散通道，同时，较快的原子扩散速度又可加速孔洞的闭合，所以，温度越高越有利扩散的进行。

图4所示为p=15 MPa、t=120 min、θ=950 ℃时扫描电镜下拉伸断口形貌。可以看出，拉伸断口由大量的韧窝组成，具有典型的韧性断裂特征。结合图3(b)，对断裂特征进行分析可看出，扩散连接后，母材组织为典型的双态组织、粒状及片状O相均匀分布在基体B2相中；而扩散层组织为粒状O相分布在连续的B2相中，为等轴组织类型。与等轴组织相比，双态组织具有强度和塑性的最佳配合，因而断裂发生在结合界面处，并表现为韧性断口形貌。

图3  15 MPa、120 min时不同温度下扩散连接接头显微组织

Fig. 3  Microstructures of diffusion bonding joint at 15 MPa, 120 min and different temperatures

图4  15 MPa、120 min、950 ℃下扩散连接接头组织及拉伸断口形貌

Fig. 4  Tensile fracture morphology at 15 MPa,120 min and 950 ℃

2.2  连接压力的影响

连接压力主要是通过金属塑性变形来改善连接面的物理接触状况及其对接头性能产生的影响。高温状态时，金属的屈服强度将明显下降，使接触界面更容易产生局部的微量塑性变形，而形成可靠的连接。连接压力确保两个待连接面有足够的原子扩散通道进行互扩散、回复和再结晶等，从而形成良好的冶金结合^[13-18]。

通过Ti₂AlNb基合金高温拉伸试验，得到合金在950 ℃条件下，应变速率分别为1×10^-3、1×10^-4和5×10^-5 s^-1时，合金的高温屈服强度依次是57、30和23 MPa，可见随着应变速率的减小，合金的高温屈服强度明显降低。由于扩散连接实验在高温下进行，且需要较长的保温时间，连接过程中合金的应变速率很小，所以扩散连接下的合金屈服强度低，因而扩散连接压力不能过大，以保证连接件不发生较大的变形。但连接压力过小时，界面间不能达到原子间距，扩散连接不充分，无法实现接头的有效结合。因此，要选择合适的连接压力，本实验中连接压力选择范围为5~15 MPa。

图5所示为温度为950 ℃、保温时间为120 min时不同的连接压力下所得连接试件的抗拉强度值。由图5可知，在压力为5~15 MPa时，随着压力增大，接头的抗拉强度增大。这是由于随着压力的增大，材料表面的微观凸起快速接触和变形，并最终使表面形成金属键连接。且在950 ℃的高温条件下，当压力较大时，粘塑性变形机理将对扩散连接过程发挥重要作用，伴随着的位错滑移促进孔洞的收缩，从而使连接面获得足够的原子扩散通道，获得良好质量的焊接接头，表现为接头拉伸强度逐渐提高，这同时也必将有助于减少扩散连接的保温时间。

图5  压力对连接试件扩散连接抗拉强度的影响

Fig. 5  Influence of pressure on tensile strength of diffusion bonding

图6所示为Ti₂AlNb基合金在950 ℃、120 min时不同压力条件下扩散连接的显微组织。当压力为5 MPa时，连接部分存在大量未焊合区，焊合率仅为69%；当连接压力为10 MPa时，扩散连接的焊合率为83%，连接处仍有部分微观孔洞未闭合；在连接压力达到15 MPa时，在接头处的原始界面已经完全消失，接头处金属原子扩散充分，界面上的微孔消失，通过原子不断地扩散和再结晶，形成了良好的扩散连接接头。可见，压力是影响扩散连接质量的重要因素，当连接压力增大时，扩散连接表面的变形量增加，变形聚集的能量增加，进一步促进孔洞的闭合和原子扩散的进行。连接压力过小，界面间不能达到原子间距，扩散连接不充分，无法实现接头的有效结合；但连接压力过大，则对设备能力和模具强度提出更高的要求，也可引起连接件的变形，因此，要选择合适的连接压力，扩散连接希望尽可能在低压下进行。根据实验结果，Ti₂AlNb基合金扩散连接选取10~15 MPa的连接压力。

图6  950℃、120min时不同压力下扩散连接接头显微组织

Fig. 6  Microstructures of diffusion bonding joint at 950 ℃, 120 min and different pressures

2.3  保温时间的影响

保温时间影响被连接材料表面微观蠕变过程及原子扩散的程度。在一定的温度和压力下，扩散原子迁移的平均距离即扩散距离与时间的关系如下^[17]：

                                                          (2)

式中：δ为扩散距离，mm；t为扩散时间，min；D为扩散系数；K为常数。由式(2)可以看出，时间对扩散距离有着直接的影响，扩散距离与时间的平方根成正比。通常，时间越长，扩散距离越大，界面有效扩散原子越多。因此，在扩散连接过程中，适当延长保温时间，可使扩散更为充分，促进接头元素成分及组织的均匀化。扩散连接中，合适的保温时间，是获得良好连接接头的关键^[9]。

图7所示为Ti₂AlNb基合金在温度为950 ℃、压力为15 MPa时不同保温时间条件下扩散连接接头的显微组织。由图7可以看出，当保温时间为60 min时，连接处还有大量的微孔存在，焊合率很低，这是由于保温时间过短时，两边原子来不及充分扩散，不能形成良好的结合；当保温时间为90 min时，初始界面基本消失，但连接面仍有少量微孔，可见随着保温时间的延长，形成的扩散层深度逐渐增大；当保温时间为120 min时，连接面实现了良好的界面冶金结合，扩散层深度约为2 μm，这是由于随着保温时间的进一步增加，两边原子可以进行充分的扩散，原子迁移距离增大，形成较大的扩散层深度。由于950 ℃对于Ti₂AlNb基合金扩散连接来说，并不算是高温，且第二相的存在抑制基体晶粒的长大，因而，在扩散连接过程中，组织并没有明显粗大。可见，保温时间是获得良好接头质量的关键条件，保温时间太短，原子扩散不足；适当地延长保温时间，可以使原子扩散更加均匀、充分，获得良好的接头质量；但是如果保温时间过长，会造成接头晶粒长大，而使接头性能下降。比较而言，保温时间为120 min时可实现良好的扩散连接。

3  结论

1) Ti₂AlNb基扩散连接对连接温度十分敏感，在900~950 ℃温度范围内，接头的拉伸强随温度的升高明显增大，当温度大于950 ℃时，接头拉伸强度有所降低；当温度为950 ℃时，拉伸断口由大量等轴状韧窝组成，具有典型的韧性断裂特征。

图7  950℃、15MPa时不同保温时间下扩散连接接头的显微组织

Fig. 7  Microstructures of diffusion bonding joint at 950 ℃, 15 MPa and different heat preservation times

2) 增大连接压力有利于实现界面冶金结合，但压力过大，会引起连接件的变形，同时对设备能力和模具强度提出更高要求。 Ti₂AlNb基合金扩散连接压力为10~15 MPa时较为适合。

3) 保温时间影响扩散层深度，保温时间过短时，两边扩散不足，随着保温时间的延长，扩散层深度逐渐增大；当保温时间为120 min时，扩散层深度约为2 μm，连接面实现了良好的界面冶金结合。

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(编辑  李艳红)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175137)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0765)

收稿日期：2014-05-14；修订日期：2014-12-28

通信作者：李  萍，教授，博士；电话：0551-62901368；E-mail：cisi_1314@126.com