引言
钛合金因其具有强度高、密度低、耐高温、导热性和抗疲劳性好等优点，尤其是具有良好的耐腐蚀性能，被广泛应用于高性能热交换技术领域。微通道换热技术是一种利用微通道传热特性和结构特性，提高工质换热能力的强化换热技术。经过近多年的发展，微通道换热技术已经成功在航空航天、微电子、汽车工业、能源化工等多个行业得到推广和应用[1-3]，液冷板作为微通道换热技术领域一个衍生的技术产品，在上述领域中的需求也日益增多。因此，开展液冷板技术领域中关键技术的深入研究，对微通道换热技术的发展和应用意义重大。
国内外许多研究者在TC4钛合金的真空钎焊的技术领域进行了大量研究，马天军等[4]对TC4钛合金真空钎焊的钎焊工艺、钎料的选择及TC4钛合金真空钎焊技术的未来发展方向进行了研究，得出工件的表面质量、钎料成分及性能、钎料的安放位置以及正确选择钎焊工艺参数对一些精密薄壁及细长结构的ＴＣ4钛合金真空钎焊质量影响较大。吴欣等[8]对TC4钛合金真空钎焊的钎料进行了研究，得出银基钎料有较好的润湿性和一定的机械性能，是钎焊钛合金的优质材料。陈永盛等[6]对微通道液冷板的焊接进行工艺分析，对钎料加工精度进行控制，实现钎料余量的精准控制，解决了微通道液冷板真空钎焊流道堵塞等焊接缺陷的问题。赵仁祥[7]通过分析微通道液冷板的结构特点及技术要求，对焊接方法、焊接工艺进行研究，采用过渡材料与接头设计解决了真空钎焊的焊接性能差，一次焊接成功率低的技术难题，满足了钎焊缝密封性要求，又有效避免了钎料流入液冷板的流道中。夏良俊等[8]采用Ag-28Cu钎料对TC4钛合金进行了真空钎焊试验，利用金相显微镜、扫描电镜及能谱仪对焊接接头的微观组织进行了研究，得出随着钎焊温度的提高和保温时间的延长，扩散区及界面层的厚度增加，过高的工艺参数会导致钎料流失从而使钎焊焊缝的宽度降低。JunG等[9]通过采用Ag-Cu合金钎料钎焊钛合金，研究了其显微组织和力学行为，得出银基钎料具有合适的熔点，钎料的流动性较好且焊缝有良好的韧性。Lee等[10]采用Zr-Ti-nｉ-Cu-Ｂe合金作为钎料在低温的情况下对钛合金进行钎焊，钎焊后的质量较好，得出钎料有较好的润湿性和一定的机械性能，是钎焊钛合金比较好的材料。
Gussone等[11]采用Ag-28Cu钎料对钛合金进行了钎焊，钎料充分熔化，与母材钎焊良好，研究其钎焊接头的界面反应和断裂行为，得出ＡG-Cu基钎料在钛合金真空钎焊过程中表现出优良的焊接性能。综上所述，很多研究者针对TC4钛合金的真空钎焊技术领域进行了研究，然而对于微通道技术领域的薄壁细长结构的TC4钛合金真空钎焊技术鲜有报道。为此，本研究对薄壁细长结构的TC4钛合金真空钎焊进行了研究，主要探讨高、低温Ag-Cu基钎料在薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件真空钎焊过程中的焊接性能，揭示高 温钎料和低温钎料对真空钎焊焊接质量的影响，以期为微通道技术领域薄壁细长结构的真空钎焊技术提供参考依据。
1、材料与方法
1.1尺寸参数
TC4钛合金薄壁液冷板、流槽结构件和钎料的尺寸参数如表1所示。其中:ｄ1为TC4钛合金液冷板厚度；L1为TC4钛合金液冷板长度；ｄ2为金属箔片式钎料厚度；L2为金属箔片式钎料长度；ｗ1为流槽结构件宽度；L3为流槽结构件长度；s为流槽结构件内部槽间距。流槽结构件主要是控制液冷板内介质的流入流出。
1.2真空钎焊的工艺方法
考虑到薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件属于细长结构，且钎料结构是根据流槽结构件结构特征剪裁，真空钎焊的过程中容易产生钎焊焊缝填充不好、一次焊接成功率低的问题，采用高、低温Ag-Cu基钎料以及加石墨块配重的工艺方案进行真空钎焊。高温Ag-Cu基钎料化学成分如表2所示。高温Ag-Cu基钎料采用箔片式的银铜钛钎料。低温Ag-Cu基钎料化学成分如表3所示，低温Ag-Cu基钎料采用箔片式的银铜铟钛钎料。通过采用两种不同化学成分的金属箔片式钎料加石墨块的方式对液冷板和结构件进行真空钎焊，并结合其钎焊后的焊缝对比查看，对比其焊接后的焊缝质量，从而分析出Ag-Cu基的银铜钛钎料和银铜铟钛钎料对焊缝质量的影响，进而获得最适合的钎料。
1.3真空钎焊前处理
薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件都需要进行除油和酸洗，以保证液冷板与流槽结构件表面干净，有利于后续真空钎焊过程中钎料达到熔融状态的流动，进而保证真空钎焊焊缝的质量，通过定位销将液冷板、钎料片和结构件固定、装配好。
1.4真空钎焊
考虑到金属箔片式钎料比较薄，容易发生变形翘曲，影响钎焊焊接质量，采用加装石墨块进行配重的工艺方案进行真空钎焊，真空钎焊炉采用沈阳真空技术研究所的卧式钎焊真空炉，型号为VAF380-380-600，极限真空度≤8×10-4Pa。
1.5真空钎焊后的焊缝对比
采用高温箔片式银铜钛加石墨配重的工艺方案
真空钎焊后的薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件焊缝，如图2ａ所示，采用低温箔片式银铜铟钛加石墨配重的工艺方案真空钎焊后的薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件焊缝，如图2ｂ所示。
从图2可以看出，采用高温箔片式银铜钛钎料加石墨配重真空钎焊的工艺方案的薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件焊缝均匀，钎料的流动稳定性好，而采用低温箔片式银铜铟钛钎料加石墨配重真空钎焊的工艺方案的薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件焊缝不均匀，钎料的流动稳定性较差，存在漏焊现象。根据真空钎焊后的焊缝对比可以得出，高温Ag-Cu基钎料即银铜钛钎料的流动、填充性能明显优于低温Ag-Cu基钎料银铜铟钛钎料，且焊接稳定性更好。
1.6焊缝微观金相
为检验焊缝的焊接质量，对高、低温Ag-Cu基钎料真空钎焊焊缝进行了微观金相取样，检验面平行于钎焊焊缝长度方向，试样经研磨、抛光、HF-HNO3-H2O溶液侵蚀后，置于金相显微镜下观察。高温Ag-Cu基钎料真空钎焊焊缝的试样低倍形貌如图3ａ所示，低温Ag-Cu基钎料真空钎焊焊缝的试样低倍形貌如图3ｂ所示。
从图3可以看出，高温Ag-Cu基钎料真空钎焊焊缝在金相显微镜下观察的低倍形貌中空洞较少，金属互化物较薄且均匀；低温Ag-Cu基钎料真空钎焊焊缝在金相显微镜下观察的低倍形貌中空洞较多，金属互化物较厚且不均匀，进而得出高温Ag-Cu基钎料真空钎焊焊缝质量明显优于低温Ag-Cu基钎料真空钎焊焊缝质量。
2、试验验证
2.1试验原理
通过检测液冷板的极限疲劳寿命、流动阻力和极限耐压强度，以验证液冷板的焊接质量。疲劳测试件由2条快插软管接入疲劳试验机，疲劳试验机由水泵提供压力源，调压阀桥接在进出口管线上，用以控制系统压力，水泵出口端设有常闭式电磁阀用以控制疲劳试验的循环次数，进口软管前端设有压力变送器和压力表。阻力试验机与疲劳试验机公用一个水箱，由水泵提供压力源，流量开关控制流量，调压阀桥接在进出口管线上，用以控制系统压力，流量开关出口端设有压力变送器和压力表，阻力测试件由两条快插软管接入阻力试验机，压差表与阻力测试件并联设置，检测流动阻力。极限疲劳、阻力试验原理如图4所示。
极限耐压试验的气压试验机需配置外部气源，由高压上气路和低压下气路组成。由手动三通确定使用上气路或下气路，由电磁阀控制气路的通断，气路内设有过滤器，以提高气源洁净度，上气路设有增压器，最高可将气路压力调整至2MPa，下气路设有减压阀，可将气源压力调整到指定值，气压试验机出口处设有压力变送器。极限耐压试验原理如图5所示。
2.2试验过程
通过搭建性能测试系统对真空钎焊后的钛合金液冷板进行现场性能测试，包括极限耐压能力测试、极限疲劳强度测试和流动阻力测试，进一步验证其焊接质量，以确保液冷板可以安全使用。性能检测如图6所示。
极限疲劳寿命的测试过程为:先清理测试件表面水渍，将快插接头连接至零件，并连接好管路；打开回水阀后再启动疲劳试验电机，待管路内气泡排净后，关闭回水阀；设定疲劳压力上限0.8MPa、疲劳次数2000次、间隔时间8s，并启动疲劳试验；观测零件焊缝处是否有肉眼可见的水滴，如有，则停止试验，否则，待已试
验次数增大到2000次后停止试验。流动阻力的测试过程为:先检测测试系统在1.8L/min流量下的流动阻力，再将零件连入测试系统，在1.8L/min流量下测定阻力，两次测定阻力相减后，即为零件流动阻力。
极限耐压能力的测试过程为:将快插接头连接至零件，并连接好管路；将测试件置于水中，并逐渐进行加压；清理零件在入水过程中产生的气泡，并观测水中是否有新的气泡出现，逐渐加压至1MPa，如加压过程中有连续出现的气泡，则停止加压；零件在水中保压30ｍｉn，观测零件焊缝处是否出现气泡；保压期间，零件上无连续出现的漏点，且表面未出现无法清除的气泡，则认为零件通过极限耐压试验。
2.3试验结果
极限耐压能力测试过程中，高温Ag-Cu基钎料钎焊的液冷板测试件在1MPa下，观测测试件焊缝处没有出现气泡，压力表示数稳定，无明显变化；低温Ag-Cu基钎料钎焊的液冷板测试件在1MPa压力下，测试件焊缝处有出现连续气泡，压力表示数不稳定，明显变化。极限疲劳强度测试过程中，高温ＡG-Cu基钎料钎焊的液冷板测试件经历2000次0.8MPa反复升压，测试件焊缝处没有肉眼可见的水滴，测试件未发生损坏；低温Ag-Cu基钎料钎焊的液冷板测试件经历2000次0.8MPa反复升压，焊缝处出现连续可见的水滴，测试件 发生损坏。流动阻力测试过程中，高、低温Ag-Cu基钎料钎焊的液冷板测试件在1.8L/min流量下的流动阻力均不大于0.3MPa，均满足设计输入要求的流阻压降。
3、结论
(1)薄壁TC4钛合金液冷板与流槽结构件这类细长结构真空钎焊过程采用钎料以及加石墨块配重的工艺方案，高温Ag-Cu基钎料银铜钛钎料的真空钎焊后的焊缝质量无论在宏观还是微观上都明显优于低温Ag-Cu基钎料银铜铟钛钎料的真空钎焊后的焊缝质量。
(2)通过检测其极限耐压强度、极限疲劳寿命和流动阻力，更进一步验证了采用高温Ag-Cu基钎料和低温Ag-Cu基钎料真空钎焊后的TC4钛合金液冷板与流槽结构件焊接质量，采用高温Ag-Cu基钎料银铜钛钎料真空焊接的TC4钛合金液冷板与流槽结构件焊接的焊缝均匀、焊接稳定性更好。
(3)本研究对薄壁细长结构的TC4钛合金真空钎焊进行了深入研究，为微通道技术领域薄壁细长结构的真空钎焊技术提供了参考依据。
参考文献:
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