TC4（Ti-6Al-4V）为一种α＋β钛合金，具备比强度高、耐蚀性好、高温性能优异等诸多优点，广泛应用于制造航空结构件和航空发动机的风扇、鼓筒等[1]，是目前钛合金材料中应用范围最广、使用量最大、研究最为深入、技术成熟度最好的钛合金之一[2-4]。TC4钛合金被用来制造航空飞行器瓦楞夹层结构排气管时，需要考虑瓦楞夹层格栅与面板的搭接连接。
真空钎焊作为一种关键的连接技术，具有精度高、变形小、避免高温情况下N2、H2、O2等气体对钛合金本体及钎焊界面组织性能的影响，尤其适用于精密薄壁零件的连接[5-9]，是钛合金瓦楞夹层结构的主要连接方法[10]。
邓云华等[11]采用TiZrCuNi钎料实现了TC4钛合金仿莲房特征芯体与面板界面焊合率良好、界面显微组织均匀的真空钎焊。商磊等[12]采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料，在钎焊温度为930℃，保温时间为30min条件下对TC4钛合金蜂窝板进行钎焊，面板与蜂窝芯钎焊效果良好，未出现脱焊、虚焊等现象。静永娟等[13]采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni钎料对TC4钛合金进行了钎焊，钎焊后的室温抗拉强度可达1007.6MPa。尽管已有不少学者开展了TC4钛合金TiZrCuNi系钎料的对接真空钎焊研究，而瓦楞夹层格栅结构不仅涉及对接钎焊，部分还涉及搭接钎焊，因此需要进一步对TC4钛合金TiZrCuNi系钎料的真空搭接钎焊接头组织与力学性能进行研究。本文采用Ｂ-Ti57CuZrNi钎料，对TC4钛合金板材以搭接方式进行了真空钎焊，并研究了钎焊工艺参数对接头微观组织和力学性能的影响，优化真空钎焊工艺参数，为后续获得组织性能优良的TC4钛合金瓦楞夹层格栅夹层结构提供重要的参考和实际应用价值。
1、试验材料和方法
试验采用的搭接钎焊基体为0.8mm厚TC4钛合金板材，其β相变点温度为980℃。钎焊钎料为Ｂ-Ti57CuZrNi箔材，其化学成分如表1所示。
采用Ｂ-Ti57CuZrNi钎料以搭接方式对TC4钛合金板材进行焊接，钎焊温度为910～970℃，保温时间为15～60min。搭接钎焊后的试板和加工好的力学性能测试试样如图1所示。室温力学性能测试在ＭＴＳ-ＳＡＮＳＣＭＴ500拉伸试验机上进行，高温力学性能测试在ＨＹ-3080型高温拉伸试验机上进行。采用ＴＧ3000型光学显微镜对钎焊接头微观组织进行观察与分析。
2、试验结果与分析
2.1 焊接接头组织
当钎焊温度为970℃时，不同钎焊时间下Ｂ-Ti57CuZrNi钎料搭接钎焊TC4钛合金试板焊接接头的显微组织如图2所示。由于Ｂ-Ti57CuZrNi钎料的熔点为889℃，板材钎焊温度为970℃，故钎焊接头的微观组织主要由Ｂ-Ti57CuZrNi钎料凝固组织及扩散过渡层（针状组织）组成。此外，钎焊保温时间对凝固组织和针状组织层具有明显影响。当钎焊时间为15min时，由图2可明显观察到焊缝中白亮凝固组织和向焊缝内部生长的深灰色针状相（β相），焊缝宽度约为150μm。延长焊接时间至30min时，凝固组织宽度降低，而针状组织层宽度增加。当焊接时间为45min和60min时，已基本观察不到凝固组织，焊接接头组织全部由针状组织层构成。故随焊接时间增加，焊缝凝固组织宽度降低，焊缝宽度和针状组织层宽度均增加。
当钎焊时间为30min时，不同钎焊温度下Ｂ-Ti57CuZrNi钎料搭接钎焊TC4钛合金试板焊接接头的显微组织如图3所示。结合图2（ｂ）可以看出，钎焊温度对焊接接头的显微组织具有显著影响。当钎焊温度为910℃时，焊接接头的组织基本上由Ｂ-Ti57CuZrNi钎料凝固组织组成，焊缝宽度约为100μm。
升高焊接温度为930℃时，焊缝宽度增加至约为180μm，焊缝中出现明显的针状组织层。当钎焊温度为970℃时，凝固组织变少，针状组织层增加，宽度约为200μm。
故随焊接温度增加，焊缝和针状组织层宽度增加，凝固组织减少。
2.2 钎焊工艺参数对焊接接头力学性能的影响
图4为不同钎焊温度和钎焊时间下Ｂ-Ti57CuZrNi钎料搭接钎焊TC4钛合金试板焊接接头的室温和400℃高温拉伸性能，可以看出，对于室温拉伸性能而言（见图4（ａ）），过低的钎焊温度会导致焊接接头的室温拉伸性能降低，如910℃时的最大断裂力仅为5.1～5.5ｋＮ，远低于其它钎焊温度，因而搭接钎焊温度应高于910℃。对于400℃高温拉伸性能而言（见图4（ｂ）），钎焊温度过高会导致焊接接头的高温拉伸性能显著降低，如970℃时的最大断裂力低于5.8ｋＮ，远低于其它钎焊温度，因而搭接钎焊温度应低于970℃。另外，随焊接时间增加，焊接接头的室温拉伸最大断裂力先缓慢增加，当焊接时间超过45min后，室温拉伸最大断裂力明显下降，因而搭接钎焊时间应不超过45min。故从钎焊接头力学能来考虑，钎焊工艺参数应取钎焊温度930～950℃、钎焊时间不超过45min为宜。
3、结论
1）TC4钛合金钎焊接头的微观组织主要由Ｂ-Ti57CuZrNi钎料凝固组织及扩散过渡层的针状组织组成。
2）随焊接温度升高，焊缝和针状组织层宽度增加，凝固组织减少。随焊接时间增加，焊缝凝固组织宽度降低，焊缝宽度和针状组织层宽度均增加。
3）钎焊温度低于930℃时会导致室温拉伸性能降低，910℃时的最大断裂力仅为5.1～5.5ｋＮ。钎焊时间高于45min时会导致室温拉伸性能降低。
4）从钎焊接头力学能来考虑，钎焊工艺参数取钎焊温度930～950℃、钎焊时间不超过45min为宜。
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