Ni箔厚度对Ti65/Nb521接触反应钎焊接头组织与性能的影响

发布时间:

2026-03-11

1 序言
Ti65钛合金是在Ti60钛合金基础上研制的一种近α型高温钛合金[1]，具备优异的高温强度、抗蠕变性及耐腐蚀性能，在约650℃长期服役条件下仍能保持性能稳定，广泛应用于航空发动机叶片等高温构件[2]。Nb521铌合金是目前使用最为广泛的高温铌合金，具有高熔点（约2480℃)、良好的塑性及优异的高温结构稳定性，同时加工成形较好，因此常用于航空航天发动机、武器推进装置、火箭与导弹双组元液体发动机及核反应堆等关键部件的制造[3-5]。Ti65钛合金具备高比强度和显著的轻量化优势，而Nb521铌合金具有优异的高温性能，二者在高超声速飞行器热防护结构中的协同应用，有望在满足结构减重需求的同时保证极端高温条件下的可靠服役，因而具有重要的工程应用价值。
钎焊因加热温度低、残余应力小且适合异种材料连接，被广泛用于高温钛合金与难熔金属的连接。已有研究围绕Nb基合金的钎焊开展了大量探索，SU等[6]采用Ti-35Ni钎料实现了Nb521/GH99的可靠连接，接头中Ti2Ni与TiNi3等相的演变显著影响其力学性能，并在1120℃/10min下获得了121MPa的最大剪切强度。孙妍等[7]使用Ti-Zr-Cu-Ni/Ti复合钎料实现了Cf/SiC/Nb的连接，界面形成的TiC与β-（Ti，Nb）相由C扩散与Nb溶解共同控制。TIAN等[8]使用Ti-Ni箔对C/SiC/Nb进行钎焊，发现在1000℃仍保持82MPa的剪切强度，验证了Ti-Ni体系在Nb合金连接中的适用性。由于Ti-Ni体系易与Nb和Ti形成低熔点共晶产物，能够有效促进润湿与界面反应，且已有研究表明，Ni箔用于TC4合金的接触反应钎焊能够获得稳定界面组织和较高接头强度[9，10]，进一步说明Ni箔作为纯金属填充材料在Ti/Nb体系中具有潜在优势。
基于此，本研究在1150℃/20min/0.1MPa的条件下，采用不同厚度Ni箔进行Ti65/Nb521接触反应钎焊，通过表征界面相演变、断裂特征与力学性能，揭示Ni箔厚度对界面形成机制的影响规律。
2 试验材料及设备
选用Ti65钛合金与Nb521铌合金作为母材，其显微组织如图1所示。本研究采用厚度分别为10μm、50μm及100μm的Ni箔作为中间层。将Ti65钛合金试样加工为10mm×10mm×5mm的块体，Nb521铌合金试样加工为5mm×5mm×5mm的块体。所有试样表面依次使用240#～1000#的SiC砂纸打磨，并在无水乙醇中进行超声波清洗15min，随后干燥备用。
图1
图2所示为Ti65/Ni/Nb521接头的装配示意。装配完成后，将试样置于真空钎焊炉（ZTF2-10型）中，在钎焊过程中，真空度优于6×10-3Pa。为保证试样在炉内均匀加热，首先以10℃/min将温度升温至400℃×10min；随后继续以10℃/min升温至800℃×10min；最后以相同升温速率升温至钎焊温度1150℃×20min。保温结束后，以5℃/min的速率冷却至500℃,随后炉冷却至室温。
为确保剪切强度数据的可靠性，每组参数均测试3个试样。剪切强度测试在万能拉伸试验机（Instron-5982）上进行，加载速度为0.5mm/min。使用电火花切割机沿垂直于焊缝的方向切取样品，随后对切取的焊后试样依次进行研磨、抛光和清洗，并进行微观组织表征，使用JSM-IT800高分辨率场发射扫描电子显微镜（SEM）对接头的微观组织与断口形貌进行观察，并结合能谱（EDS）进行成分分析。采用X射线衍射仪（XRD，SmartLab9kW）对接头界面进行检测，以确定其相组成。测试条件为：2θ范围为20°~90°,步长0.01，扫描速度2°/min。

3 试验结果与分析
3.1 Ti65/Ni/Nb521接头的微观组织及反应机理
为了研究Ni箔厚度对Ti65/Nb521钎焊接头界面微观结构的影响，分别采用厚度为10μm、50μm及100μm的Ni箔对Ti65钛合金与Nb521铌合金进行接触反应钎焊。在1150℃×20min的工艺条件下获得的界面显微组织如图3所示，其对应位置的EDS分析结果见表1。不同厚度Ni箔条件下的Ti65/Nb521接头均形成连续、致密且无宏观缺陷的冶金结合界面，并呈较为一致的宏观分层结构。界面可分为近Ti65侧与近Nb521侧两个主要区域。近Ti65侧区域由灰色基体和针状魏氏体组成。位置A的元素组成中Nb和Ni含量较高，而Ni和Nb是典型的βTi相稳定元素，可显著降低α-Ti相向β-Ti相的转变温度，从而促进β-Ti相的形成与稳定，结合其富Nb和Ni的特征，可推断位置A为β-Ti相[11]。位置B的元素成分为78.62%Ti＋11.51%Al，其中Al为α相稳定元素[12]，因此该区域可判定为α-Ti相。近Nb521侧区域主要为灰色固溶体，其EDS成分以Ti和Nb为主，属于（Ti，Nb）ss；且随着逐渐靠近Nb521侧，固溶体中Nb含量逐渐升高，这表明Nb由Nb521向Ti65侧扩散形成梯度分布。综上所述，Ti65/Nb521接头界面主要由Ti65侧的α-Ti相+β-Ti相组织及Nb521侧的（Ti，Nb）ss固溶体组成，呈Ti65/α-Ti相+β-Ti相/（Ti，Nb）ss/Nb521的连续梯度过渡结构。

根据Ti-Ni[13]和Ni-Nb[14]的二元相图，Ti-Ni的共晶温度为942℃,Ni-Nb的共晶温度为1184℃。本研究的钎焊温度1150℃高于Ti-Ni共晶点，但低于Ni-Nb共晶点，因此钎焊初期主要发生Ni箔与Ti65钛合金之间的Ti-Ni共晶反应，形成Ti-Ni液相。随着Ni箔厚度增加，参与反应的Ni和Ti均随之增多，导致生成的Ti-Ni液相体积分数增加。Ti-Ni液相在与Ti65反应充分后开始向Nb521侧扩展，润湿其表面并与Nb521发生进一步反应，因此在Ni厚度较大时，界面液相量更高、扩展范围更大，最终使焊缝区域更宽。
当Ni厚度为10μm时，生成的Ti-Ni液相量较少，界面反应层较薄，近Ti65侧可观察到大量细小的针状α相。当Ni厚度增加到50μm时，Ti-Ni液相显著增多，界面反应区宽度明显增加，（Ti，Nb）ss区域进一步加宽。同时，近Ti65侧的针状α相由细密逐渐向粗大转变，这可能是由于液相增多导致界面局部冷却速度下降，使α-Ti相在冷却过程中具有更充分的长大条件。当Ni箔厚度增至100μm时，Ti-Ni液相量进一步增加，界面层宽度达到最大，由于液相体积分数过大导致扩散受限，部分区域出现Ni元素富集，使局部成分进入Ti-Ni相图中Ti2Ni相的形成区间，因此在近Ti65侧观察到较为粗大的Ti2Ni相。图3d所示为100μm接头处的XRD微区测试结果，结合EDS的结果证实了接头界面处Ti2Ni相的存在。
图4所示为不同厚度Ni箔接头界面的EDS图谱结果，直观地说明了接头中合金元素的分布。由图4可知，在接头处Ni与Nb元素的含量分布基本相同，Al与Ni、Nb的分布基本相反，这些元素的含量分布与相的分布呈对应关系，Ni、Nb作为β-Ti相的稳定元素，主要在β-Ti相中富集，Al为α-Ti相的稳定元素，主要在α-Ti相中富集。在钎焊过程中，随着合金元素的相互扩散，液态填充金属（FillerMetals）经历一系列相变：L→β相→α相，根据Ti-Ni二元相图[13]，Ni在β相中的固溶度显著高于在α相中的固溶度，因此在α相析出过程中，多余的Ni会被排斥至相界附近。对于100μmNi箔接头，由于初始Ni含量较高，被排斥的Ni在局部区域更易富集，进而促进富Ni金属间化合物的形成，因此，在近Ti65侧可观察到较为粗大的Ti2Ni相析出。同时，由于Al的富集，促进了α-Ti相的析出。而在近Nb521侧的Nb、Ni含量较高，这两种元素作为β相稳定元素抑制了α相的形成，因此该区域仅由β-Ti相组成。
3.2 Ti65/Ni/Nb521接头的力学性能
图5所示为不同Ni箔厚度条件下Ti65/Nb521接触反应钎焊接头的剪切测试结果。由图5可知，当Ni箔厚度分别为10μm和50μm时，接头剪切强度分别为389MPa和394MPa，显著高于Ni箔厚度为100μm时的接头剪切强度（198MPa）。
为研究焊接接头断口的位置和机理，观察断口表面显微组织形貌，其在扫描电子显微镜下的微观组织形貌如图6所示，对应位置的EDS分析结果见表2。当Ni箔厚度为10μm时，接头断裂模式表现为典型的沿晶断裂（见图6a）。裂纹主要沿晶界扩展，与界面区域形成一定量的Ti2Ni脆性金属间化合物密切相关，Ti2Ni相倾向在晶界附近连续析出或偏聚，降低局部晶界结合强度。当外加剪切载荷作用时，脆性Ti2Ni相处成为优先开裂区，使裂纹沿晶界路径扩展，表现为沿晶脆性断裂特征。当Ni箔厚度增至50μm时，接头呈典型的韧性断裂特征（见图6b）。断裂位置在Nb521母材侧，这说明所形成的界面具有较高的结合强度。断口SEM显示大量深而均匀分布的韧窝，这表明材料经历了显著的塑性变形，并通过微孔洞“成核-长大-聚合”机制被破坏。由此可知，在50μmNi条件下，界面未发生明显脆化，界面结合强度超过母材强度，从而促使断裂转移至母材并表现出优良的韧性特征。当Ni箔厚度增至100μm时，接头的裂纹优先沿Ti2Ni相区扩展（见图7），接头断口呈典型的解理断裂特征（见图6c），断面上可见大面积的解理台阶和解理面，这表明材料发生脆性断裂。结合界面组织分析可知，该断裂模式主要源于界面处大量生成的Ti2Ni脆性相，其连续分布显著降低了接头的抗裂能力，使裂纹沿Ti2Ni相区快速扩展，最终导致整体呈解理断裂。因此，10μm和50μm厚的Ni箔有助于形成连续致密且未脆化的过渡界面结构，从而保持较高接头强度；而100μmNi箔厚度过大，会导致Ti2Ni脆性相大量生成，使界面易脆断，是剪切强度显著下降的主要原因。

4 结束语
采用不同厚度的Ni箔（10μm、50μm及100μm）在1150℃×20min条件下对Ti65/Nb521合金进行接触反应钎焊，通过对界面组织演化特征及力学性能的系统分析，探讨了Ni箔厚度变化对接头组织与性能的影响，主要结论如下。
1）不同厚度Ni箔钎焊所得Ti65/Nb521接头均形成致密的冶金结合界面，呈Ti65/α-Ti相+β-Ti相/（Ti，Nb）ss/Nb521的梯度过渡结构；Ni箔越厚，生成的液相越多，则界面反应层显著增宽。
2）界面显微组织演化随Ni箔厚度增加而变化，10μmNi箔界面形成细小针状α相，50μmNi箔会促进界面反应区扩展并使针状α相粗化，而100μmNi箔界面则因Ti-Ni液相过量导致Ti2Ni脆性相大量生成且在界面连续分布。

3）接头力学性能与界面组织密切相关，10μm和50μmNi箔接头剪切强度分别为389MPa和394MPa，其中50μmNi箔接头的断裂位置转移至Nb521母材侧，断口呈典型韧性断裂特征，综合力学性能最优；而100μmNi箔接头因界面大量生成连续Ti2Ni脆性相导致解理断裂，剪切强度降至189MPa。
参考文献：Ni箔厚度对Ti65/Nb521接触反应钎焊接头组织与性能的影响；朱晗，毕建勋，李栋，李宏利，赵晨昊，梁德彬，李伯涛，康黎；
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