重型燃機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)真空釬焊工藝技術(shù)研究

楊 爍 杜 靜 李文學(xué)

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心，沈陽 110043）

1 引言

早在上世紀(jì)90年代初，美國航天領(lǐng)域的科學(xué)家在研究航天飛機(jī)液體燃料渦輪泵的密封問題時(shí)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蜂窩形狀的密封結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生很好的封嚴(yán)效果。于是，蜂窩式密封開始在航天飛機(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)上得到推廣應(yīng)用。所謂蜂窩結(jié)構(gòu)是將正六邊形的蜂窩孔規(guī)則排列的蜂窩芯釬焊于密封環(huán)內(nèi)表面的組件，蜂窩的規(guī)格（六邊形對邊距離）有 0.8mm、1.6mm、2.5mm 等，蜂窩條帶（六邊形邊）厚度為0.05mm、0.076mm、0.1mm等。蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)主要用于軸端密封、級間密封、葉頂密封、透平壓縮機(jī)密封和鼓風(fēng)機(jī)中的密封等，具有顯著降低密封的泄漏量、有效抑制密封流體激振和有效減振去濕等特點(diǎn)，因此在航空發(fā)動機(jī)中和燃?xì)廨啓C(jī)中為優(yōu)選的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。

在重型燃機(jī)上，為實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾挠行褂?，減小損失，提高燃機(jī)的工作效率，在靜止組件與旋轉(zhuǎn)組件之間的氣體封嚴(yán)廣泛采用蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是允許轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間存在一定程度的相互干涉和摩擦，而不致?lián)p傷轉(zhuǎn)動部件，具有較好的可磨蝕性，同時(shí)還具有抗冷熱疲勞性能和高的熱強(qiáng)性。在重型燃機(jī)上有30余封嚴(yán)組件采用蜂窩結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)組件中既有扇形段蜂窩封嚴(yán)件，也有葉片緣板蜂窩封嚴(yán)件，蜂窩的規(guī)格有0.8mm和1.6mm兩種，蜂窩芯與殼體之間的連接采用真空釬焊工藝。本項(xiàng)目針對重型燃機(jī)上的蜂窩結(jié)構(gòu)開展了真空釬焊工藝研究工作。

2 試驗(yàn)

2.1 材料

2.1.1 試驗(yàn)用材料

試驗(yàn)所用試樣材料為1Cr18Ni9Ti、GH4708、GH536和K4104合金，試驗(yàn)所用釬料為 B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н），為粉末狀釬焊料，粒度為-140目。

2.1.2 試樣結(jié)構(gòu)

拉伸試樣的尺寸為Φ13×33，兩個(gè)試棒對接，試棒結(jié)構(gòu)如圖1所示，在對接處放置BNi73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）釬料。

圖1拉伸試樣結(jié)構(gòu)

剪切試樣的尺寸為95×40×2.0（高溫），45×25×2（室溫），兩個(gè)試片搭接并用儲能點(diǎn)焊定位，試片結(jié)構(gòu)如圖2所示，在搭接處的一側(cè)放置 B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）釬料。

圖2剪切試樣結(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)試樣是將GH536蜂窩釬焊到GH4708、GH536 和 1Cr18Ni9Ti試片上。

2.2 設(shè)備

釬焊試驗(yàn)是在VEQ5654-6真空釬焊爐中進(jìn)行的，該設(shè)備的最高工作溫度為1250℃，熱態(tài)真空壓力低于3×10-4乇，漏氣率≤2.0Pa/h。

2.3 工藝

2.3.1 釬焊工藝參數(shù)

釬焊試驗(yàn)采用的工藝參數(shù)為:以10℃/min的速度升溫至550℃，保溫15min，再以7℃/min的速度升溫至1000℃，保溫20min，最后以5℃/min的速度升溫至1100℃，保溫10min釬焊，焊后隨爐冷卻至1000℃后進(jìn)行快冷，冷卻到100℃以下試樣出爐，釬焊過程中真空壓力低于4×10-2Pa（充氬快冷時(shí)除外）。

蜂窩結(jié)構(gòu)試樣的釬焊工藝程序是將BNi73CrSiB-40Ni-S釬料用特殊粘結(jié)劑制成粘帶狀，粘帶厚度為0.4~0.6mm，將粘帶釬料壓入蜂窩芯格中，采用儲能點(diǎn)焊把蜂窩與試片定位在一起，對裝配后的試樣進(jìn)行烘干（140℃±10℃，1h），然后將蜂窩結(jié)構(gòu)試樣放入真空釬焊爐中進(jìn)行釬焊，釬焊參數(shù)同上。

2.3.2 釬焊后加工

試樣釬焊后，將釬焊接頭的拉伸和剪切試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)性能試樣，進(jìn)行接頭的性能測試。蜂窩結(jié)構(gòu)試樣采用線切割的方法進(jìn)行剖切，并進(jìn)行金相檢查，檢查蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)部釬焊情況。

2.4 結(jié)果

試樣釬焊后，將釬焊接頭的拉伸和剪切試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)性能試樣，進(jìn)行接頭的性能測試。

3 結(jié)果討論與分析

釬焊接頭的拉伸和剪切性能測試結(jié)果看，1Cr18Ni9Ti與GH536的釬焊接頭，室溫、500℃、700℃時(shí)釬焊接頭的拉伸強(qiáng)度（σb）分別為 319MPa、294 MPa、277 MPa，1Cr18Ni9Ti材料室溫和700℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度σb≥540MPa和 σb=284MPa，則 1Cr18Ni9Ti與 GH536 的釬焊接頭的強(qiáng)度系數(shù)約為59%和97%；GH4708與GH536的釬焊接頭，室溫、500℃、700℃時(shí)釬焊接頭的拉伸強(qiáng)度（σb）分別為345mPa、295 mPa、225 mPa，GH536 材料室溫和 700℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度σb≥725mPa和σb=435mPa，GH4708與GH536的釬焊接頭的接頭強(qiáng)度系數(shù)約為48%和52%；K4104與GH536的釬焊接頭，室溫、500℃、700℃時(shí)釬焊接頭的拉伸強(qiáng) 度 （σb） 分 別 為 437mPa、347 mPa、340 mPa，與GH536材料室溫和700℃時(shí)的強(qiáng)度相比，K4708與GH536的釬焊接頭的接頭強(qiáng)度系數(shù)約為60%和78%。由上述分析結(jié)果看，不同材料組合的釬焊接頭強(qiáng)度系數(shù)有所不同，主要是由于各種材料本身的強(qiáng)度不同造成的，但在同一溫度下，各種材料組合的釬焊接頭均有較好的強(qiáng)度，同時(shí)1Cr18Ni9Ti與GH536、GH4708與GH536的釬焊接頭在室溫、500℃、700℃時(shí)也具有較好的剪切強(qiáng)度。

從金相照片上看，蜂窩與試片的焊接質(zhì)量很好，釬料潤濕試片并填充釬焊間隙，蜂窩條帶厚度沒有減薄，說明釬料B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）在確定的工藝參數(shù)下對GH536合金沒有溶蝕傾向，能夠滿足蜂窩結(jié)構(gòu)的釬焊要求。

結(jié)論

4.1 用 B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）釬料釬焊（1Cr18Ni9Ti、GH536、GH4708）與GH536合金，其釬焊接頭室溫和高溫下具有較好的瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，在確定的釬焊工藝參數(shù)下，釬料對GH536蜂窩材料無溶蝕傾向。

4.2 采用確定的釬焊工藝程序，能夠釬焊出滿足使用要求的蜂窩結(jié)構(gòu)零件。

[1]張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊.[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008（09）.

[2]航空制造工程手冊--焊接分冊