超声辅助激光钎焊TiNi形状记忆合金界面反应机理研究

基于新一代航空推进系统对降低飞机起飞噪声和巡航油耗的要求，使飞机更适合长途或越洋飞行，国外正在研制一种高旁通比发动机的自适应TiNi形状记忆合金-钛合金锯齿形尾喷管。针对TiNi形状记忆合金的组织与性能对温度和成分变化敏感，焊接性较差的特点，本研究提出一种超声场和激光场复合的新型焊接方法，即在焊接件上辅助施加超声波振动场，通过激光钎焊对TiNi形状记忆合金与钛合金进行连接。利用激光钎焊能量输入的精确可控性，以较低的功率密度熔化预置钎料，保持母材原有状态和性能；在钎料熔化和毛细填缝过程施加超声振动，促进钎料的润湿和填缝，并控制钎料与母材的相互作用。研究超声场与激光场的最佳耦合方式，以及工艺参数对接头强度和形状记忆性能的影响，研究超声波作用下钎料的润湿和铺展行为；着重研究超声振动作用下界面反应层的生长行为，揭示界面反应机理，为实现大截面形状记忆合金和异种结构材料的可靠连接探索一条新的途径。

基于高旁通比航空发动机用钛镍形状记忆合金(TiNi Shape Memory Alloy，SMA)与钛合金锯齿形尾喷管结构的连接问题，针对TiNi SMA的组织与性能对温度和成分变化敏感，焊接性较差的特点，首次采用超声波辅助激光钎焊，在超声场与激光场耦合作用下，无钎剂、低温和大气环境中进行了钛镍形状记忆合金与钛合金的连接。研究工作主要取得以下成果：(1) 研究了超声场与激光场的最佳耦合方式，获得了钎料润湿的工艺窗口。当TiNi SMA母材表面粗糙度为0.03μm，激光功率为470W时，可以在最短时间40s内实现Al基钎料的润湿铺展；(2) 研究了工艺参数对Al基钎料在TiNi SMA母材表面润湿性的影响。随激光功率增加，钎料铺展面积增加，润湿角减小；随超声振动时间增加，钎料铺展面积先增大后减少，润湿角先减小后增大。最佳润湿铺展工艺参数：超声振动时间t=1.0s，激光加热功率P=470W时，铺展面积平均值为106.45mm²，润湿角约为16°；(3) 对熔态Al基钎料在TiNi SMA母材表面的润湿铺展行为进行了动力学观察，首次发现超声和激光耦合作用可以诱导钎料润湿前沿出现前驱膜现象，研究了工艺参数对Al基钎料润湿前驱膜宽度的影响规律，并分析了前驱膜的形成机制。随超声振动时间增加，前驱膜宽度先增大后减小；随激光加热功率增加，前驱膜宽度逐渐增大。前驱膜形成可能是因为超声波振动破碎氧化膜，使得活性元素Si以及富Si相在吸附力作用下及超声作用下吸附在母材表面，并在固液界面处形成一层液态薄膜，降低了界面能，而富集活性元素的液态薄膜会向前移动形成前驱膜；(4) 采用Al-Si-Zn-Ag-Ti钎料在600℃超声辅助激光钎焊TiNi SMA和TC4钛合金，接头的最高剪切强度达134MPa，接近国外报道的采用Al-Ni-Cu-Si钎料真空钎焊TC4钛合金接头的最高剪切强度(142MPa)。接头拉剪强度随超声振动时间增加而增大，在基体两侧均出现厚度不等的扩散层，钎料中的Si元素或富硅化合物向TiNi SMA沉积，促进了Al3Ti金属间化合物的生长。超声振动去膜过程中界面氧化膜的演化特征表现为钎料与母材之间迅速发生反应形成中间层（扩散层），将母材表面的氧化膜向液态钎料内部顶起，并逐渐破碎去除。随超声时间增加，氧化膜层开始破碎并向钎料内部移动，最后被界面处新生成的金属间化合物取代。