钛合金具有高的比强度、优异的抗疲劳性和耐蚀性等突出优点而被广泛应用于航空产物中,如飞机机架和航空发动机等,特别是对于高强度钢以及铝合金因质量、强度、抗蚀性或高温稳定性等综合性能不能满足要求的部件。在很多情况下,都会涉及到航空钛合金自身之间或与铝、不锈钢、钛镍合金等异种材料的连接问题。钛及其合金会在750～1040℃温度范围内发生同素异构转变,由具有密排六方结构的α相转变成具有体心立方结构的β相。当加热温度接近或者超过α相→β相的转变温度时,β相的晶粒尺寸会急剧变大,显微组织显着粗化,使材料性能下降。在这种温度下对钛合金进行焊接会使焊缝接头的塑性大大降低。
另外,在钎焊过程中,钎料会和母材发生扩散反应,在界面处生成脆性的金属间化合物,致使焊缝存在较大的开裂倾向,使接头性能恶化。为了避免对母材性能造成损伤并提高焊接接头的性能,应该将钛合金的钎焊温度控制在β相转变温度以下,即在800℃以下进行中温钎焊。
一、选择合适的钎料
适合钛合金中温钎焊的金属基钎料主要有三大类:银基、铝基、钛-锆基钎料。其中,铝基钎料的钎焊温度较低,远低于钛合金α相→β相的转变温度,与钛基体相互作用小,无明显的溶蚀和扩散,而且价格便宜,加工性能优良,低熔点、成本低廉,故具有较好的发展和应用前景。近年来,纳米多层膜复合钎料引起重视。由于纳米粒子相对于传统的合金粉体或者块体材料而言具有熔点低、活性高等特性,可以通过在钎料中加入纳米级颗粒制成纳米多层复合膜钎料来降低钎料熔点。据报道,通过交替溅射沉积银-铜钎料层和碳扩散阻碍层,制备了银-铜/碳纳米多层膜复合钎料,与传统的金属基银-铜钎料相比,熔点下降了约50℃,钎焊温度下降了40～50℃;采用直流磁控溅射AlSi12纳米涂层及AlN扩散阻碍层,制备AlN/AlSi纳米多层膜钎料,当纳米涂层厚度达到2～3nm 时,纳米多层膜复合钎料的熔点比无纳米涂层的钎料下降了约230℃。另据报道,铝-镍活性纳米多层膜的钎料,其钎焊温度与传统钎料相比,降低了130℃左右。
二、改进钎焊技术
采用物理气相沉积技术可以在母材表面沉积金属涂层作为钎焊反应层,在炉中进行钎焊时,反应层能与基体形成低熔点的共晶或亚共晶组织,有效降低钎焊温度,减少高温钎焊产生的脆性金属间化合物,减少接头裂纹和气孔,提高接头的致密性及力学性能。据报道,以铜作为阴极材料,在钛表面通过离子溅射沉积一定厚度的铜涂层作为钎焊反应层,钎焊接头的强度随着铜涂层的扩散消失而逐渐增大。近年来的另一个研究动态是把多种钎焊技术结合起来,如超声波感应钎焊连接,超声辅助激光钎焊等。