航天器异种金属钎焊接头静态裂纹行为分析

　　航天推进系统的导管承担着输送燃料或冷却介质的功能,对结构的性能、密封、内部质量要求非常高,尤其是对内部多余物很敏感,一旦有异物侵入,将严重影响推进系统的安全.推进系统导管结构存在大量的异种金属(如钛合金和不锈钢等)导管连接部位,目前的连接方式一般是先将异种金属导管对接安装,然后采用密封物质密封,最后采用螺栓连接方式连接.这种连接结构存在着质量大、强度和密封性差、生产质量难以保证等缺点,最重要的是容易产生多余物,因此已不能满足现代航天器的长寿命要求.钎焊方法是最适合异种金属连接的优良方法,采用钎焊方法获得了成功的异种金属(钛合金和不锈钢)连接结构[1],接头的力学性能、密封性能、内部质量以及多余物控制等都远远优于传统的螺栓连接方式[2].钎缝是钎焊结构最薄弱的环节,在使用过程中钎缝容易萌生裂纹,且可能发生扩展,从而影响结构的安全和使用寿命.本文重点对钛合金与不锈钢异种金属组合导管结构进行了钎焊试验研究,通过钎焊接头的静态拉伸试验微观观察钛合金与不锈钢钎焊接头断裂裂纹分布状况,并理论分析了裂纹扩展行为.所得结果对于异种金属钎焊连接、结构优化设计以及断裂控制具有重要的参考价值.

　　1　试验材料及方法

　　本研究采用的试验材料为Ti-6Al-4V钛合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢.钛合金与不锈钢均为薄壁、小直径的导管结构,接头形式为插接结构,钛合金作为内插管,外径为8mm,壁厚为1mm;不锈钢作为外套管,外径为10mm,内径为6mm,插接部位内径为8mm,插接深度为4mm,装配间隙为0. 08mm.本研究采用真空高频感应钎焊方法连接钛合金与不锈钢,高频加热设备的频率为30~50kHz,加热电流190A,加热时间为25 s,真空度为5×10-3~7×10-3Pa.钎料采用银基钎料和铜基钎料两种.钎焊前用丙酮清洗钛合金和不锈钢导管,去除表面油污.将装配好的试件放入真空室进行高频感应钎焊.钎焊完成后,取出试件,进行质量检测和性能测试.

　　2　钎焊接头性能

　　对钛合金与不锈钢异种金属导管的高频感应钎焊接头进行了质量和性能测试.钎焊接头的外部质量采用5倍放大镜目视检查,结果未发现钎料未熔化、钎焊漫溢、外部未钎透、溶蚀、外部气孔等缺陷,钎缝边缘连续、均匀、圆滑过渡.内部质量采用X射线检验,结果未发现任何缺陷存在.钎焊接头的密封性能通过氦质谱检漏检验,单点漏率低于1×10-9Pa/(m3·s),优于螺栓连接结构密封性能3个数量级.钎焊接头的力学性能采用静态拉伸试验测试,所有钎焊接头全部从搭接部位的不锈钢母材上断裂,说明获得了质量优良的钎焊接头.其中,采用银基钎料的钎焊接头平均承载能力达到了17. 2kN,采用铜基钎料的钎焊接头平均承载能力达到了15. 8kN.测试结果可见,采用钎焊方法连接钛合金与不锈钢异种金属导管的质量和性能都远远优于螺栓连接结构.螺栓连接的异种金属导管连接区域中钛合金导管和不锈钢导管仅仅是对接后通过螺母连接在一起,导管之间存在间隙,没有形成冶金连接,结构力学性能较低(接头难以从母材发生断裂),导管内部和外部仅仅通过密封物质来密封,导致密封性能差(仅有1×10-6Pa/(m3·s)).而钎焊连接的异种金属导管之间形成了冶金连接,并且内外部质量优异,因此密封和力学性能都获得了优良的结果.