Ti65鈦合金板擴散連接界面孔洞愈合機制及力學性能響應：表面/體積/晶界擴散協同作用對焊合率的提升及α相晶粒長大對抗拉強度的影響

引言

鈦合金由于比強度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優點，被廣泛應用于航空航天、醫療和化工等領域。高溫鈦合金由于長期在高溫環境下仍能保持較高的力學性能、蠕變抗力和抗氧化能力，常用來生產航空發動機燃燒室附近的壓氣機部件，在航空航天領域中占據重要地位 [1-4]。

Ti65合金是在 Ti60 合金基礎上研制的一種名義成分為 Ti-5.9Al-4.0Sn-3.5Zr-0.3Mo-0.4Si-0.3Nb-2.0Ta-1.0W-0.05C 的 10 組元近 α 型高溫鈦合金，設計使用溫度為 600~650℃。Ti65 合金密度為4.59g/cm³，相變點為 1040±10℃[5]。相比于 Ti60，Ti65 合金新加入了 W 元素，提高了 Ta 含量，減少了 Mo 和 Nb 含量，有效改善了高溫抗蠕變性能，同時仍保持較好的強度 - 塑性、蠕變 - 持久 - 熱穩定性匹配。

擴散連接技術是指同種或異種金屬、非金屬材料，在高溫、高壓、真空或保護氣體環境下，連接表面發生原子擴散的一種可靠連接技術 [6-7]。相比于傳統焊接方式，擴散連接技術有效避免了由于金屬液熔化而導致的產品質量缺陷，成形零件具有無宏觀變形、連接部位缺陷少、無殘余應力等優點 [8]。隨著航空航天領域輕量化的發展，鈦合金擴散連接技術得到了充分發展。以 TC4 合金為例，Lee 等 [9] 研究了 Ti-6Al-4V 在連接溫度范圍為 850~950℃、壓力為 3.0MPa、時間為 60~180min 時的擴散連接工藝，并對 TC4 的高溫氧化行為進行了研究；Tang 等 [10] 通過對比 850~950℃相變超塑性擴散連接與 950℃恒溫超塑性擴散連接接頭組織和性能發現：相變可提高原子擴散速率，改善連接接頭性能，抗剪強度更高，最高可達 612MPa；Gao 等 [11] 研究了溫度、時間對 TC4 空心結構擴散連接接頭性能影響；Cai 等 [12] 通過 MARC 對 TC4 合金三層板超塑成形和擴散結合過程進行模擬，與試驗結果進行對比，成形制件界面厚度最大誤差不超過 12.5%。目前，國內外對于Ti65板材擴散連接的研究較少，不明確最佳的擴散連接工藝參數，本文通過對Ti65合金板材在不同溫度、壓力下的擴散連接試驗，研究了工藝參數對Ti65鈦合金板材擴散連接焊合率和結合強度的影響，為Ti65合金在擴散連接工程應用中提供依據。

1、試驗材料與方法

本試驗采用的材料為Ti65合金板材，厚度為 2mm。原始Ti65鈦合金板材沿 RD 方向的室溫單向拉伸工程應力 - 應變曲線如圖 1 所示，屈服強度達到了 1173.1MPa，抗拉強度為 1208.9MPa，延伸率為 5.3%。

為通過剪切變形測試界面結合強度，設計了如圖 2 (a) 所示的試片，長度 100mm，寬度 40mm，留有 1mm×20mm 縫隙（長度方向為 RD 方向，寬度方向為 TD 方向）。對線切割加工后的試片進行拋光、除油和酸洗處理，去除表面雜質等影響擴散連接效果的因素，如圖 2 (b) 所示。

為研究試驗溫度和壓力對擴散連接過程的影響，利用真空熱壓爐進行擴散連接試驗，將待連接的兩塊金屬板置于兩塊石墨厚板間，金屬板上下重疊放置，其中一塊板以 TD 方向為軸旋轉 180°，使得兩塊板上的縫錯開，形成中間 2mm 寬的搭接區域，上下平臺通過石墨板對板材施壓，如圖 3 所示。擴散試驗條件為 920℃/2MPa、940℃/2MPa、940℃/1MPa、940℃/4MPa 和 960℃/2MPa，真空度為5×10^-3Pa，保溫保壓時間為 2h，擴散連接試驗后樣品如圖 2 (c) 所示。

對擴散連接試驗后的試樣線切割取樣，剪切試樣尺寸為 80mm×10mm，搭接區域面積為20mm²；拉伸試樣標距為 24mm×6mm×2mm，取樣方式如圖 2 (d) 所示。采用蔡司顯微鏡觀察金相組織，表征焊合效果；采用 MTS 電子萬能材料試驗機進行剪切、拉伸性能測試。

2、試驗結果與討論

2.1 擴散連接工藝參數對焊合率的影響

焊合率是判斷擴散連接界面結合好壞的衡量標準之一，焊合率越高，界面結合情況越好，焊合率的計算公式 [13] 如下：

式中：L為焊合率；L0為焊接剖面焊縫長度；L1為未焊合區域焊縫長度。

2.1.1 壓力對焊合率的影響

當壓力為 1MPa 時，界面結合處孔洞呈現不連續條狀，焊縫區域的金相組織如圖 4 (a) 所示，未焊接區域較多，焊合率僅為 69%；圖 4 (b) 所示為 940℃下壓力為 2MPa、保溫 2h 的界面結合形貌，結合區域已轉化為晶界，但仍存在少量未結合界面，孔洞高度減小，焊合率為 82%；相同溫度和保溫時間下，當壓力增加至 4MPa 時，焊合率提高至 88%，孔洞數量、尺寸和長寬比均減少，焊縫區域的金相組織如圖 4 (c) 所示，仍能觀察到少許未焊合區。這說明壓力是影響擴散連接的重要參數之一，隨著壓力的提高，焊合率增加，焊接效果提升，但焊合率增加的速率減緩，逐漸接近 100%，如圖 4 (d) 所示。

2.1.2 溫度對焊合率的影響

圖 5 (a) 所示，當連接溫度為 920℃時，結合區域可觀察到明顯且連續的大尺寸孔洞，只有少部分區域完全接觸，焊合效果較差，焊合率僅為 59%；960℃擴散焊接的金相組織如圖 5 (b) 所示，未焊合區域基本消失，焊合率達 99%；焊合率隨溫度的提高而增加，如圖 5 (c) 所示。

2.2 擴散連接工藝參數對 RD 方向力學性能的影響

擴散連接過程中，板材在高溫環境中保溫 2h 左右，微觀組織將發生改變（如晶粒長大、相變等），進而對力學性能產生影響。

2.2.1 壓力對 RD 方向抗拉強度的影響

圖 6 (a) 所示為 940℃下不同壓力參數下Ti65板材擴散連接后的 RD 方向力學性能：當壓力為 1MPa、2MPa 和 4MPa 時，抗拉強度分別為 984MPa、974MPa 和 959MPa。經過 940℃保溫 2h 后，Ti65 板材的室溫抗拉強度較原始板材（1208.9MPa）分別降低 18.6%、19.4% 和 20.7%，且隨著壓力的提高，降幅略有增加。

2.2.2 溫度對 RD 方向抗拉強度的影響

在壓力為 2MPa 時，材料經 920℃、940℃和 960℃保溫 2h 后，RD 方向室溫抗拉強度分別為 981MPa、974MPa 和 970MPa，如圖 6 (b) 所示。可見，隨著擴散連接溫度的提高，Ti65 板材 RD 方向的室溫抗拉強度逐漸降低，較原始板材分別降低 18.9%、19.4%、19.8%。

抗拉強度從原始材料的 1208.9MPa 下降至 970MPa 左右，主要原因是高溫保溫后Ti65板材的組織變化：α 相晶粒尺寸隨加熱溫度提高而增大，由 920℃的 8μm 增加到 960℃的 12μm，同時原始板材軋制過程中積累的大量位錯，在高溫熱處理時發生回復再結晶，位錯密度大大降低 [17]。

2.3 擴散連接工藝參數對剪切強度的影響

2.3.1 壓力對剪切強度的影響

不同壓力條件下，擴散連接件的焊縫室溫剪切強度如圖 7 (a) 所示：940℃下，壓力為 1MPa 時，剪切強度為 226.8MPa；當壓力增加至 2MPa 時，剪切強度大幅提高至 335.3MPa；壓力進一步增加（4MPa）時，剪切強度幾乎不發生改變（335.5MPa），達到飽和狀態。

2.3.2 溫度對剪切強度的影響

當擴散連接壓力為 2MPa 時，隨著擴散溫度的提高，室溫剪切強度逐漸增加，如圖 7 (b) 所示：920℃擴散連接后，由于存在較多未結合區域，焊接質量較差，室溫剪切強度僅為 157.5MPa；960℃擴散連接后，室溫剪切強度提升至 349MPa。

室溫下Ti65擴散連接焊縫的剪切強度主要取決于焊合率和 α 相晶粒尺寸：隨著壓力增加、溫度提高，焊合率增加（增大焊縫承載剪切的有效面積，提高抗剪能力），但 α 相晶粒尺寸增大（降低材料本身強度），最終焊合率的影響占比更大，使得剪切強度整體呈上升趨勢。

2.4 擴散連接機制討論

擴散連接過程分為 3 個階段 [6]：1）物理接觸階段；2）擴散、界面推移階段；3）界面和孔洞消失階段。由于待焊接試件表面存在粗糙度，擴散連接初期，焊接表面無法完全接觸，形成孔洞 [15]；施加壓力后，接觸區域承受的壓力大于Ti65合金的塑性變形抗力，發生塑性變形，接觸面積擴大；隨著連接進行，接觸區域原子高度激活，相互擴散并形成金屬鍵，大部分孔洞消失，界面發生推移；繼續擴散后，界面孔洞通過體積擴散、晶界擴散等機制愈合（圖 8），未結合區域減少，結合區域組織趨于均勻。

溫度對擴散連接的影響主要體現在：提高材料塑性變形能力和原子擴散系數，加速孔洞愈合；同時加速晶粒長大和母材軟化。壓力的影響包括：促進初期突出區域塑性變形、加速界面原子激活與孔洞愈合、破壞表面氧化物以利于原子擴散、防止擴散孔洞產生 [14]。

3、結論

Ti65板材擴散連接的焊合率隨擴散連接溫度和壓力增大而增加：當工藝參數為 960℃、2MPa、保溫 2h 時，焊合率達到 99%，未焊合區域基本消失。

高溫保溫后，Ti65 板材 RD 方向室溫抗拉強度明顯降低，主要因 α 相晶粒尺寸增加（920℃時 8μm→960℃時 12μm）和回復再結晶（位錯密度降低），且隨連接壓力和溫度提高，室溫抗拉強度逐漸下降（較原始板材降幅 18.6%~19.8%）。

隨連接壓力和溫度提高，Ti65 擴散連接件的室溫剪切強度逐漸增加且增幅降低：960℃、2MPa、保溫 2h 時，剪切強度達到 349MPa，焊合率提升對剪切強度的貢獻大于晶粒長大的負面影響。

參考文獻

[1] 陸子川，張緒虎，微石，等。航天用鈦合金及其精密成形技術研究進展 [J]. 宇航材料工藝，2020，50 (04)：1-7.（LU Z C，ZHANG X H，WEI S，et al. Research progress of titanium alloy for aerospace and its precision forming technology [J]. Aerospace Materials & Technology，2020，50 (04)：1-7.）

[2] BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science & Engineering A，1996，213(1/2)：103-104.

[3] 陳子勇，劉瑩瑩，靳艷芳，等。航空發動機用耐 650℃高溫鈦合金研究現狀與進展 [J]. 航空制造技術，2019，62 (19)：22-30.（CHEN Z Y，LIU Y Y，JIN Y F，et al. Research status and progress of 650℃ high temperature resistant titanium alloy for Aeroengine [J]. Aviation Manufacturing Technology，2019，62 (19)：22-30.）

[4] LI S，DENG T，ZHANG Y，et al. Review on the creep resistance of high-temperature titanium alloy[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals，2021：1-8.

[5] 王清江，劉建榮，楊銳。高溫鈦合金的現狀與前景 [J]. 航空材料學報，2014，34 (04)：1-26.（WANG Q J，LIU J R，YANG R. Present situation and prospect of high temperature titanium alloys [J]. Journal of Aeronautical Materials，2014，34 (04)：1-26.）

[6] 高文靜，雷君相。擴散連接技術在鈦合金加工中的應用及研究進展 [J]. 有色金屬材料與工程，2017，38 (04)：239-246.（GAO W J，LEI J X. Application and research progress of diffusion bonding technology in titanium alloy processing [J]. Nonferrous Metal Materials And Engineering，2017，38 (04)：239-246.）

[7] 仇朋，王娟，高慧。鈦合金與其他金屬材料擴散連接研究現狀與發展 [J]. 中國金屬通報，2020 (10)：9-10.（QIU P，WANG J，GAO H. Research status and development of diffusion bonding between titanium alloy and other metal materials [J]. China Metal Bulletin，2020 (10)：9-10.）

[8] MAEHARA Y，KOMIZO Y，LANGDON T G. Principles of superplastic diffusion bonding[J]. Materials Science and Technology，1988，4(8)：669-674.

[9] LEE H S，YOON J H，YI Y M. Oxidation behavior of titanium alloy under diffusion bonding[J]. Thermochimica Acta，2007，455(1/2)：105-108.

[10] TANG T，LIN P，CHI C，et al. Study on microstructure and properties of TC4 alloy phase transformation superplastic diffusion bonding joint[J]. Hot Working Technology，2018，47(1)：41-48.

[11] GAO W，XING S，LEI J. Effect of bonding temperature and holding time on properties of hollow structure diffusion bonded joints of TC4 alloy[J]. SN Applied Sciences，2020，2(12)：1-8.

[12] CAI Y，ZHANG Q，MEN X. Processing of superplastic forming and diffusion bonding for multilayer structure of TC4 alloy[J]. Foundry Technology，2018，39(1)：151-153.

[13] 何辰佳，陳明和，謝蘭生. TC4 鈦合金擴散連接工藝研究 [J]. 熱加工工藝，2017 (17)：64-68.（HE C J，CHEN M H，XIE L S. Study on diffusion bonding process of TC4 titanium alloy [J]. Hot Working Process，2017 (17)：64-68.）

[14] 于衛新，李淼泉，胡一曲。材料超塑性和超塑成形 / 擴散連接技術及應用 [J]. 材料導報，2009，23 (11)：8-14.（YU W X，LI M Q，HU Y Q. Material superplasticity and superplastic forming/diffusion bonding technology and its application [J]. Materials Review，2009，23 (11)：8-14.）

[15] LI H，ZHANG C，LIU H B，et al. Bonding interface characteristic and shear strength of diffusion bonded Ti-17 titanium alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，25(01)：80-87.

[16] 鄒家生。材料連接原理與工藝 [M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005.（ZOU J S. Material bonding technology and process [M]. Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2005.）

[17] 吳汐玥，陳志勇，程超，等。熱處理對Ti65鈦合金板材的顯微組織、織構及拉伸性能的影響 [J]. 材料研究學報，2019，33 (10)：785-793.（WU X Y，CHEN Z Y，CHENG C，et al. Effect of heat treatment on microstructure，texture and tensile properties ofTi65titanium alloy plate [J]. Journal of Materials Research，2019，33 (10)：785-793.）

（注，原文標題：工藝參數對高溫鈦合金Ti65擴散連接性能的影響）