TiAl基合金是理想的轻质高温结构材料，主要用于制造先进汽车和航空发动机上的高温活动部件，例如：涡轮叶片、排气阀、涡轮增压转子等[1].TiAl基合金的服役温度可达到 700 ～ 1 000 °C[2]，制备的高温活动部件一般是暴露在空气中工作的. 因此，TiAl基合金钎焊接头不仅要有良好的室温力学性能，更要有优异的高温力学性能和抗氧化性能.钎焊连接由于焊接温度较低而对母材影响小以及由于钎料的存在避免了母材的直接接触而降低了焊接接头中的残余应力，有利于获得具有较高性能的TiAl接头[3]. 钎焊接头界面显微组织、残余应力、载荷性质、环境介质和服役温度等是影响钎焊接头高温性能的主要因素，而对TiAl基合金钎焊接头的连接性能起决定性作用的是其界面显微组织的形态、残余应力等内在因素[4]. 在目前已有的报道中，对TiAl基合金钎焊接头的高温力学性能的研究较少. 因此，对TiAl基合金钎焊接头高温力学性能的研究具有十分重要的意义.
TiAl基合金的钎焊连接主要包括对接和搭接两种，力学性能测试对应的分别是抗拉强度和抗剪强度. 文中主要研究TiAl基合金钎焊接头的高温抗剪强度的变化趋势，探索影响因素及其变化机理，并在此基础上研究焊后热处理时间对钎焊接头高温抗剪强度的影响，对比分析研究钎焊接头与TiAl基合金母材的高温拉伸力学性能.
右边不远处，是一个穿着黑西服套装的男人，他嘴里叼着一根烟，一副不耐烦的表情，皱着眉头，不时吐出一个烟圈。
所长就上前牵那几条牯牛。哪知牯牛见到生人，突然发起脾气来，二话不说，把头一低直冲过来。所长没有防备，被顶了个仰八叉还滚了两滚。群众惊得跑到街道两边的店铺里，伸出个头来笑。两个警员反应较快，早就跑开了。跑到警车那里，各自拿了警棍方才返回来。
试验使用的TiAl基合金母材，经两次自感应熔炼和一次感应悬浮熔炼后钢模浇铸，再进行热等静压处理 (HIP，1 260 °C/3 h/130 MPa)而成，其名义成分是 Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.15B(原子分数，%)，显微组织主要为γ-TiAl和α2-Ti3Al组成的全片层状组织. 而试验中使用的钎料，是经真空感应熔炼炉熔炼合金铸锭并经均匀化处理后，再通过高真空单辊旋淬系统快速凝固制备得到的约为20 μm厚的非晶箔带，其名义成分为Ti-25.65Zr-13.3Cu-12.35Ni-3Co-2Mo(质量分数，%).
钎焊连接的方式采用了对接和搭接两种形式，对接钎焊用母材是直径13 mm、长23 mm的TiAl基合金棒材，搭接钎焊用TiAl基合金母材是(25 ～26) mm × 12 mm × 3 mm 的板材，搭接长度 3 mm.TiAl基合金的待焊表面经过砂纸打磨、丙酮中超声波清洗15 min、无水乙醇清洗、吹干. 钎焊时，按照母材/钎料/母材顺序放入自制钎焊用夹具中，并施加一定压力以确保紧密接触. 钎焊连接试验是在HP12 × 12 × 12真空热压炉中进行，升温速率为20 K/min，钎焊温度 1 000 °C，钎焊保温时间 5 min，真空度为1 × 10-4 Torr.
金相试样沿垂直于钎焊接头界面截取，试样经打磨抛光，用3%HF + 6%HNO3 + 91%H2O溶液进行腐蚀后，利用扫描电镜(SEM，Nova Nano SEM 430/FEI/USA)对钎焊接头进行显微组织观察. 按照标准GB/T4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》在CMT5105型电子万能试验机上对TiAl基合金钎焊接头和TiAl基合金母材进行高温力学性能测试. 先将炉温升至试验温度保温一段时间，而后开炉迅速将样品安装好，关炉，待炉温升至试验温度后保温10 min，另外同时放入相应的钎焊接头金相试样进行焊后热处理，然后再进行力学性能试验，拉伸速率为0.1 mm/min，测试完毕，金相试样与力学性能测试试样一同迅速取出.
图1是钎焊温度1 000 °C下保温5 min获得的TiAl基合金钎焊接头在不同试验温度下进行力学性能测试后对应的抗剪强度. 由图1可知，TiAl基合金钎焊接头200 °C时的抗剪强度与在室温(RT)下的抗剪强度相当. 当试验温度在 200 ～ 700 °C时，TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度随着试验温度的升高而逐渐下降，钎焊接头700 °C时的抗剪强度仍然达到了155 MPa，是室温时的73.5%. 由图1中还可知，TiAl基合金钎焊接头在试验温度600 °C时的抗剪强度为170 MPa，与Song等人[5]采用TiNi-20Nb共晶钎料钎焊TiAl基合金得到的钎焊接头在试验温度600 °C时的抗剪强度172 MPa (1 220 °C/10 min)相当，但文中采用的钎焊温度降低了 220 °C. 当试验温度超过 700 °C 时，TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度随着试验温度的升高而急剧下降，在900 °C时的抗剪强度仅为40 MPa. 文中研究的TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度随着试验温度的升高而发生的变化趋势与Hong等人[6-7]的研究结果相类似，其分析研究得出钎焊接头抗剪强度在超过600 °C后急剧下降的原因主要为试验温度高于600 °C时，钎焊接头界面处发生了严重氧化；800 °C的试验温度，接近TiCuNi钎料的液相线温度.
图1 不同试验温度下的TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度
Fig. 1 Influence of testing temperature on shear strength of the TiAl joint
图2 TiAl基合金钎焊接头在不同温度下剪切测试后的断口表面的X射线衍射分析
Fig. 2 XRD patterns of the fracture surface for different temperature shear test
图2是TiAl基合金钎焊接头在试验温度为室温、700和900°C经剪切测试后得到断口表面的X射线衍射图谱，由图2a ～ 2c可知，钎焊接头剪切测试后断口表面的产物主要是(Ti, Zr)2(Cu, Ni)金属间化合物. TiAl基合金钎焊接头在试验温度700 °C经剪切测试后的断口表面产物成分与室温时是一样的，如图2a，2b，这说明在试验温度700 °C时，TiAl基合金钎焊接头的界面显微组织在剪切测试过程中是没有发生变化的. 但是当试验温度达到900 °C时，在剪切测试后的断口表面检测出少量的钛、锆以及铝的氧化物，这进一步说明TiAl基合金钎焊接头在试验温度900 °C时的剪切测试过程中被氧化了，对接头的抗剪强度造成了很大的影响.
图3所示是钎焊温度1 000 °C保温5 min获得的TiAl基合金钎焊接头的金相试样未经热处理和经焊后热处理得到的界面显微组织的背散射电子图(BEIs)，由图3a ～ 3d可知，焊后热处理温度即使高达900 °C，TiAl基合金钎焊接头中的界面反应层Ⅰ(图3a)的显微组织基本没有变化，TiAl基合金本身也仍保持室温时的全片层状组织. 钎焊接头中的界面反应层Ⅰ的物相成分是Ti3Al，且Ti3Al在温度低于 1 200 °C时是稳定有序的[8]. 另外，TiAl基合金的服役温度可达850 °C，且其显微组织在温度低于1 100 °C的真空环境下是稳定的，合金元素原子之间是不会发生明显的相互固态扩散的. 因此，即使焊后热处理温度高达900 °C，TiAl基合金钎焊接头的界面反应层Ⅰ的显微组织和TiAl基合金本身的显微组织不会发生变化. 对比分析图3a和图3b可知，两种TiAl基合金钎焊接头的中心钎焊层II的界面显微组织以及物相成分分布基本也是一样的，说明钎焊接头的界面显微组织在温度低于700 °C时焊后热处理是不会发生变化的. 因此，在不考虑外力作用的前提下，整个TiAl基合金钎焊接头的界面显微组织在试验温度为200 ～ 700 °C时是不会发生任何变化的. 由此可推知：试验温度在200 ～700 °C时，TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度随着试验温度的上升而下降主要是由于中心钎焊层II金属材料随着试验温度的升高而软化引起的，而试验温度上升的同时也松弛和消除了钎焊接头中一部分残余应力，减缓了钎焊接头连接强度下降的速度. 因此，试验温度在 200 ～ 700 °C 变化时，TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度随着试验温度的升高而逐渐下降. 当焊后热处理温度升高到800 °C时，TiAl基合金钎焊接头的中心钎焊层II的显微组织以及物相成分分布开始发生了微小的变化. 当焊后热处理温度进一步上升到900 °C时，TiAl基合金钎焊接头的中心钎焊层II的显微组织以及物相成分分布产生了较大的变化，尤其是如图3a中标示A的区域α-Ti +(Ti, Zr)2(Cu, Ni)发生了非常明显的变化，说明中心钎焊层II在900 °C焊后热处理过程中发生了原子之间的相互扩散和元素再分配. 在焊后热处理温度为800和900 °C时，TiAl基合金钎焊接头的中心钎焊层II的显微组织发生了变化，严重影响钎焊接头的力学性能.
图3 TiAl基合金钎焊接头未经热处理和经不同温度焊后热处理的显微组织
Fig. 3 BEIs of the joints unannealed and annealed at different temperature
钎焊温度1 000 °C保温5 min获得的TiAl基合金钎焊接头在试验温度700，800和900 °C时保温10 ～ 120 min后剪切测试得到的抗剪强度如图4所示. 由图可知，TiAl基合金钎焊接头在试验温度700 °C进行剪切测试时，当保温时间增加到20 min，钎焊接头的抗剪强度略微减小，这主要是由于钎焊接头的金属材料发生软化引起的；当保温时间继续增加到30 min，钎焊接头的抗剪强度不降反升，达到此试验温度下的最大值，略大于保温时间10 min对应的抗剪强度，这主要归功于钎焊接头中残余应力的完全松弛和消除；随着保温时间的进一步延长，钎焊接头的抗剪强度略微下降后维持基本不变，与保温时间10 min对应的抗剪强度是相当的；这说明TiAl基合金钎焊接头在700 °C高温下能够长期服役[3].
图4 保温时间对TiAl基合金钎焊接头抗剪强度的影响
Fig. 4 Effects of holding time at different testing temperatures on the shear strength of the TiAl joint
TiAl基合金钎焊接头在试验温度800 °C进行剪切测试时，保温时间从10 min增加到30 min，TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度是极其缓慢下降的；当保温时间超过30 min时，TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度随着保温时间的延长而急剧下降，保温时间120 min时对应的抗剪强度下降到只有50 MPa. 试验温度800 ℃时，焊后热处理时间对钎焊接头的影响产生的原因如下：① TiAl基合金钎焊接头的中心钎焊层II中各元素原子在试验温度800 °C经过 30 min的孕育期后发生了较大的固态扩散反应，导致钎焊接头中心钎焊层II中的元素含量和物相成分分布产生了明显的变化，其显微组织也随之产生了较大的变化，而显微组织发生较大的变化会使钎焊接头的抗剪强度有明显下降. ②TiAl基合金钎焊接头中心钎焊层II中的金属材料在试验温度800 °C保温时间t ≤ 30 min，残余应力的松弛而引起钎焊接头的抗剪强度的提高与高温使得钎焊接头中金属材料软化而导致钎焊接头的抗剪强度的下降效果相当，且中心钎焊层II的显微组织没有发生明显的变化. 因此，在试验温度800 °C、钎焊时间t ≤ 30 min时，钎焊接头的抗剪强度随着保温时间的延长而变化不大. 随着保温时间的进一步延长，残余应力释放完毕，钎缝中金属材料的软化严重削弱接头的抗剪强度，导致接头抗剪强度急剧下降. ③热暴露时间(≤ 30 min)短，钎焊接头边缘处氧化不严重，所以钎焊接头的抗剪强度变化不明显；随着热暴露时间进一步延长(＞ 30 min), 钎焊接头边缘处可能被严重氧化，导致钎焊接头抗剪强度急剧下降.
为更深入分析ln（crmb）与ln（ix）、ln（ex）的关系，本文进行脉冲响应函数分析，结果如图8所示。
试验温度900 °C时，TiAl基合金钎焊接头的抗剪强度随着保温时间的增加而急剧下降，保温时间60 min时的钎焊接头因承载能力太弱而不能进行力学性能测试，这主要是由于钎焊接头在900 °C时随着热暴露时间的延长而增加了钎焊接头被氧化的严重程度、加大了钎焊接头金属材料软化程度以及增多了中心钎焊层II显微组织变化而引起的.
通用计算机行业是垄断的，芯片基本上是出自Intel和AMD等几家著名公司，几乎每台计算机必备的操作系统都是Microsoft的Windows操作系统系列，文本编辑器基本都是Word版本的文字处理器。然而，由于嵌入式系统有各自不同的应用领域，因而给各个行业中、小规模嵌入式系统应用程序的开发留下了很大的扩展空间，并且由于各个应用领域在不断发展，对嵌入式处理器核心要求也在不断变化，这些因素决定了嵌入式系统不易被垄断。
图5所示是不同试验温度下钎焊温度1 000 °C保温5 min获得的TiAl基合金钎焊接头与母材TiAl基合金本身的抗拉强度的对比曲线，表1为两者的具体数值. 由图5可知，TiAl基合金钎焊接头和母材TiAl基合金本身的抗拉强度随着试验温度的增加均减小，并且钎焊接头的抗拉强度始终小于母材TiAl基合金本身. TiAl基合金钎焊接头中脆性Ti3Al界面反应层Ⅰ是不能通过焊后热处理方式去除的，很大程度上限制了钎焊接头的最大连接强度，使得TiAl基合金钎焊接头的连接强度不可能高于母材TiAl基合金本身的. 结合图5和表1可知，TiAl基合金钎焊接头和母材TiAl基合金本身的抗拉强度两者之间的差值随着试验温度的升高是先减小后增大的. 钎焊接头在试验温度不高于600 °C时的抗拉强度是相同试验温度下母材的72%以上. TiAl基合金钎焊接头可以看成是母材TiAl基合金、Ti3Al界面反应层Ⅰ、中心钎焊层II等三种热膨胀系数不一样的材料依次叠层的，所以钎焊接头中的残余应力是远大于母材TiAl基合金本身的. TiAl基合金钎焊接头和母材TiAl基合金随着试验温度的升高均会发生软化，是引起抗拉强度降低的原因之一. 据文献[9]可知TiAl基合金的抗氧化性能在使用温度高于850 °C时是急剧下降的，这也是TiAl基合金抗拉强度在试验温度高于800 °C时急剧下降的另一原因. 但钎焊接头中的高残余应力随着试验温度的升高而松弛、消除，很大程度上减缓了钎焊接头连接强度的下降速度，缩小了钎焊接头与母材TiAl基合金本身的抗拉强度之间的差距. 根据前面可知，母材TiAl基合金在试验温度700 °C以上时的抗氧化性比TiAl基合金钎焊接头好. 由表1可知，钎焊接头在试验温度不超过600 °C时，其抗拉强度可达室温时的81%以上，即使试验温度高达700 °C，仍可达室温时的74%. 哈尔滨工业大学的Yang等人[10]采用TiH2-Ni-B粉末和Ag-Cu-Ti对Ti-43Al-9V-0.3Y进行钎焊连接，结果显示TiH2-Ni-B钎焊接头的连接强度在试验温度600 °C时为室温时的66.7%，且对应的钎焊温度高达1 180 °C；而Ag-Cu-Ti钎焊接头在试验温度400 °C时为室温时的70%，而使用温度一旦超过400 °C就急剧降低到20%以下. 哈尔滨工业大学的He等人[11]采用Ag-35.2Cu-1.8Ti(熔化温度 800 ～ 850 °C)钎焊连接 TiAl基合金，试验温度400 °C时的抗拉强度仅为248 MPa，远低于文中的285 MPa. 对比结果显示，文中得到的钎焊接头对应的钎焊温度低，接头的室温和高温连接强度高，尤其是高温力学性能特别优异. 另外，母材TiAl基合金本身的抗拉强度在试验温度800 °C时仍能维持在室温时的80%以上，这说明母材TiAl基合金本身的热稳定性远优于钎焊接头. 因此，当试验温度超过700 °C时，TiAl基合金钎焊接头的抗拉强度的下降速度随着试验温度的升高而急剧增大，远高于TiAl基合金母材本身，导致两者的差距越来越大.
图5 不同试验温度下 TiAl基合金钎焊接头与 TiAl基合金母材的抗拉强度
Fig. 5 Effect of testing temperature on tensile strength of the TiAl joint and TiAl parent-metal
表1 钎焊接头与 TiAl母材的抗拉强度
Table 1 Tensile strength of the brazed joint and TiAl parent-metal
试验温度T/°C强度保留率δp(%)0 316 100 400 100 200 302 96 373 93 400 285 90 362 91 600 255 81 354 89 700 235 74 343 86 800 145 46 324 81 900 60 19 289 72 1 000 238 60接头抗拉强度Rmb/MPa强度保留率δb(%)母材抗拉强度Rmp/MPa
(1)试验温度低于700 °C时，钎焊接头的抗剪强度随着试验温度的升高而逐渐下降，钎焊接头抗剪强度在试验温度600和700 °C时分别为170(室温时的80.6%)和155 MPa；试验温度一旦超过700 °C，钎焊接头抗剪强度随着试验温度的升高而急剧下降，900 °C高温抗剪强度仅40 MPa，下降的原因主要是高温下钎焊接头界面被氧化以及固态扩散导致的显微组织改变.
(2)钎焊接头可在700 °C高温下长期服役；钎焊接头的抗剪强度可在800 °C高温下维持30 min不变，而后由于中心钎焊层II的界面显微组织发生了较大变化而急剧下降；试验温度900 °C时，钎焊接头抗剪强度随着保温时间的增加而急剧下降. 这说明钎焊接头在800 °C时开始有元素之间的相互固态扩散反应发生.
(3)钎焊接头和母材TiAl基合金的抗拉强度均随着试验温度的上升而下降，且它们之间的差距先减小后增大. TiAl基合金钎焊接头和TiAl基合金本身在试验温度分别是600和800 °C的抗拉强度可达室温时的80%以上.
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