Ti60钛合金扩散连接界面孔洞演化动力学及焊合率预测研究，观察不同工艺下界面孔洞形态数量及尺寸变化，建立工艺参数-焊合率-剪切强度关联模型，实现扩散连接质量定量表征

高温钛合金具备高比强度和良好的热稳定性，其在飞行体等结构上的应用已取得了良好的减重效益[1-5]。Ti60钛合金是在IMI834合金的基础上开发的近α型高温钛合金，加入了更多的Si元素和少量的Ta元素，可以控制a2相少量析出，使a2相与硅化物作为强化相，以改善高温蠕变和持久性能，已在飞机发动机压气机叶片、轮盘、鼓筒以及整体叶盘等关键零部件上得到应用[6-9]。

扩散连接是将材料紧压在一起，置于真空或保护气氛中，加热至一定温度，然后对其施加压力使连接界面紧密接触，而后经原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法[10]，材料未发生熔化，成形零件缺陷少，无残余应力。刘继雄等[11]研究了扩散连接温度与连接时间对SP-700钛合金热轧板扩散连接质量的影响，发现连接时间的延长、连接温度的升高可促使连接界面焊合率增大，升高连接温度有助于缩短界面完全结合所需的连接时间。HamiltonCH[12]首次明确提出待扩散连接表面接触时波峰对波峰，波谷对波谷的扩散连接数学模型。吴会平[13]基于连接界面表面形貌差异提出了一个可以预测完全焊合接头的扩散连接时间、焊合率、不同时刻空洞分布状态与空洞尺寸的双峰模型。国内外目前关于Ti60钛合金扩散连接的研究较少，合适的扩散连接工艺参数尚不明确。本文进行了Ti60钛合金板材在不同保温温度、保温保压时间、保压压力条件下的扩散连接试验，分析了Ti60钛合金板材扩散连接界面的焊合率和剪切强度随工艺参数的变化，促进了Ti60钛合金扩散连接的工程化应用。

1、试验材料及方法

本文采用中国科学院金属研究所提供的热轧退火态Ti60钛合金板材，厚度为2mm。原始板材轧制方向(RD)的室温单向拉伸工程应力-工程应变曲线见图1，屈服强度为1139.7MPa，抗拉强度为1154.5MPa，断后伸长率为15.2%。原始板材微观组织见图2，其中TD为轧件的横向。可以看出，Ti60钛合金组织由初生α相和晶间β相组成，α相呈等轴状和轧制形成的拉长状，分布较为均匀，平均体积分数约为58.0%，平均晶粒尺寸为33.2μm。

本文以扩散连接界面的剪切强度和焊合率为依据来衡量扩散连接效果。采用如图3a所示的拉剪试样按照GB/T6396-2008[14]进行单向拉伸试验，断裂过程中最大力与试样中部搭接面积比值即为剪切强度，试样长度方向为轧制方向。对线切割得到的试片待连接表面进行打磨、抛光和酸洗处理，去除表面杂质和氧化物。将试片沿RD方向对齐放入真空扩散炉内进行扩散连接试验。为衡量保温温度和保温保压时间对原始板材室温力学性能的影响，采用线切割加工得到如图3b所示的随炉热处理单向拉伸试样，与扩散连接试片一同放入真空扩散炉内进行随炉热处理，扩散连接试验条件如表1所示。采用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的UTM5504X型电子万能试验机对拉剪试样和随炉热处理拉伸试样进行室温单向拉伸试验，测定试样力学性能;采用南京江南永新有限公司生产的MR5000型光学显微镜观察扩散连接界面上的微观组织，分析微观组织变化，测定焊合率。

表1 扩散连接试验工艺参数

Table 1 Process parameters of diffusion bonding experiment

2、试验结果

2.1保温温度对扩散连接界面的影响

在保压压力为2MPa、保温保压时间为2h的条件下，保温温度对扩散连接界面组织和焊合率的影响分别如图4和图5所示。结合图4和图5可以看到，当保温温度为900℃时，扩散连接界面存在较多的长条状孔洞，如图4a所示，未焊合区域较多，焊合率仅为70.0%。随着保温温度逐渐升高，扩散连接界面处的孔洞数量逐渐减少，形状逐渐转变为球状，β相的体积分数逐渐减少，焊合率逐渐升高，如图4b所示。当保温温度大于或等于940℃时，扩散连接界面处的绝大部分结合区域被晶界和晶粒占据，如图4c和图4d所示。从图5中可以看出，随着保温温度升高，焊合率的增大速度逐渐减缓，当保温温度达到960℃时，焊合率达到98.5%。

保温温度对扩散连接界面剪切强度的影响如图6所示。在900℃时，试样扩散连接界面的剪切强度仅为196.0MPa，随着保温温度的升高，扩散连接界面的剪切强度也逐渐升高，在940℃时大幅度提高，达到547.9MPa，之后随着保温温度升高，扩散连接界面的剪切强度的增大速度减缓，960℃时剪切强度达到559.6 MPa。

2.2保温保压时间对扩散连接界面的影响

在保温温度为940℃、保压压力为2MPa的条件下，保温保压时间对扩散连接界面组织和焊合率的影响分别如图7和图8所示。结合图7和图8可以看到，当保温保压时间为0.5h时，扩散连接界面分布有数量较多的长条状和球状孔洞，如图7a所示，焊合率为84.9%。随着保温保压时间的延长，孔洞数量减少，β相的体积分数明显减少。当保温保压时间小于或等于1.5h时，晶粒大小变化不明显，如图7a~图7c所示。当保温保压时间大于或等于2.0h时，连接界面处的孔洞基本消失，如图4c、图7d所示。从图8中可以看出，随着保温保压时间的延长，焊合率的增大速度逐渐减缓，保温保压时间为3.0h时，焊合率达到97.8%。

保温保压时间对扩散连接界面剪切强度的影响如图9所示。经过0.5h的保温保压，连接界面的剪切强度为261.6MPa。随着保温保压时间的延长，剪切强度逐渐升高，上升幅度逐渐减缓，保温保压时间为2.0h时，剪切强度达到547.9MPa，保温保压时间为3.0h时，剪切强度达到559.2MPa，上升幅度明显降低。

2.3保压压力对扩散连接界面的影响

在保温温度为940℃、保温保压时间为2h的条件下，保压压力对扩散连接界面组织和焊合率的影响分别如图10和图11所示。结合图10和图11可知，在1.0MPa的保压压力条件下，界面处分布有较多孔洞，如图10a所示，焊合率为89.0%。当保压压力小于或等于2.0MPa时，升高压力会促进孔洞弥合，使孔洞数量减少、尺寸减小，如图10a、图10b和图4c所示。当保压压力达到2.0MPa时，焊合率为95.9%。当保压压力为2.5MPa时，焊合率出现些许下降，如图11所示，认为是由于采用刚性扩散时连接界面受力并不均匀，使得局部区域连接界面未贴合，孔洞无法完全消除，如图10c所示。在3.0MPa的保压压力下，连接界面处的孔洞基本消失，如图10d所示，焊合率达到97.4%。

保压压力对扩散连接界面剪切强度的影响如图12所示，在1.0MPa的保压压力下，连接界面的剪切强度为439.7MPa，随着保压压力的升高，剪切强度逐渐升高。保压压力为2.0MPa时，剪切强度达到547.9MPa，当保压压力大于2.0MPa时，剪切强度的提升速度明显减缓，当保压压力为2.5MPa时，连接界面的剪切强度与2.0MPa保压压力时相当，这与图11所示的保压压力为2.5MPa时的焊合率有所下降有关。当保压压力为 3.0 MPa时，扩散连接界面的剪切强度达到557.7 MPa。

2.4保温保压时间和保温温度对原始板材力学性能的影响

为研究扩散连接过程中，加热对 Ti60钛合金力学性能的影响,在940和960℃两个保温温度下进行扩散连接时放入随炉热处理拉伸试样，并测试其室温力学性能,如表2和表3所示。经高温保温和随炉冷却后，与Ti60钛合金原始板材性能进行对比，随炉热处理拉伸试样的抗拉强度降低了13%14%，这与加热过程中的相变、晶粒长大等相关。当保温温度达到940℃后，升高温度和延长保温保压时间，Ti60钛合金的室温强度不再继续降低。

表2 保温保压时间为2h时保温温度对原始板材力学性能的影响

Table 2 Effect of holding temperature on mechanical properties for original sheet at holding time of 2 h

表3 保温温度为940℃时保温保压时间对原始板材力学性能的影响

Table 3 Effect of holding time on mechanical properties for original sheet at holding temperature of 940℃

3、结论

(1)保温温度升高使得Ti60钛合金母材软化,扩散系数增大，在相同保压压力和保温保压时间条件下，孔洞弥合得更充分，扩散连接界面的焊合率随之增大。原子的扩散迁移需要时间,延长保温保压时间使得界面焊合率增大。增大保压压力可以加速界面原子激活，促进孔洞愈合，增大焊合率。在940℃/2h/2MPa的条件下，连接界面的焊合率达到95.9%,已接近100%,继续升高保温温度、延长保温保压时间、增大保压压力，焊合率提升空间不大，提升速度明显减缓，在960℃/2h/2 MPa条件下，焊合率达到98.5%。

(2) Ti60钛合金扩散连接界面的剪切强度与焊合率基本呈正相关，焊合率反映连接界面受力面积大小，焊合率越高，连接界面剪切强度越高，在960℃/2h/2MPa条件下，剪切强度达到559.6MPa。

(3) Ti60钛合金板材经高温保温后，RD方向的室温强度明显降低，经过940℃高温保温2h后，Ti60钛合金的室温抗拉强度由1154.5 MPa降低至994.1MPa，下降约14%，主要是因为保温过程中Ti60钛合金α晶粒逐渐等轴粗化和发生回复再结晶。为获得与母材性能接近的力学性能，需对扩散连接后零件进行热处理等工艺的优化处理。当保温温度达到940℃后，升高保温温度和延长保温保压时间，对Ti60钛合金的室温强度影响不大。

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（注，原文标题：Ti60钛合金扩散连接界面组织及剪切性能）