GH4169和1Cr18Ni9Ti真空釬焊接頭組織和力學性能

陳志凱，李雪飛，呂 威，郝飛飛，王 碩，邢 斌，彭 錚

（首都航天機械公司，北京100076）

GH4169和1Cr18Ni9Ti真空釬焊接頭組織和力學性能

陳志凱，李雪飛，呂 威，郝飛飛，王 碩，邢 斌，彭 錚

（首都航天機械公司，北京100076）

采用厚50μm的BNi82CrSiB釬料，在1060℃/20min、1000℃/60min規(guī)范下對GH4169和1Cr18Ni9Ti異種金屬進行真空釬焊試驗。利用掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜分析儀（EDS）觀察和分析接頭的界面組織；采用Instron1186型萬能試驗機測試接頭的室溫剪切強度，并對接頭進行水壓強度試驗。研究表明，間隙60 μm的釬焊接頭釬縫致密完整，釬縫主要由鎳基的固溶體組成。接頭在水壓20 MPa、保壓10 min的情況下，釬縫無滲漏；接頭常溫剪切強度318 MPa，斷口分析結果表明接頭的斷裂有韌性斷裂的特征。

異種金屬；釬焊接頭；斷口分析

0 前言

近年來，隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對材料的要求也越來越高，在運載火箭、衛(wèi)星等領域體現(xiàn)得尤為明顯，這些領域要求使用的材料在低溫和高溫下都有很高的比強度，同時在振動、高速的運動狀態(tài)下，也具有足夠強度，以保證長期工作的可靠性。目前對材料的性能分析表明，單獨使用任何一種材料都難以滿足上述要求。通常情況下，任何一種構件在使用過程中，各部分承受的載荷并不一樣，一部分零件的工作條件較差，可能接近許用應力的極限值，而另一部分零件可能只承受很小的應力。在這種情況下，采用異種金屬焊接結構件就能滿足上述要求[1]。

GH4169高溫合金具有良好的耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕等綜合性能是高溫零部件的常用材料，如液

體火箭發(fā)動機渦輪泵的渦輪轉(zhuǎn)子、發(fā)動機噴注器等；1Cr18Ni9Ti不銹鋼也具有耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)點，在航空航天領域得到了廣泛的應用。某型號液體火箭發(fā)動機推力室噴注器組件主要由GH4169和1Cr18Ni9Ti材料組成，靠近燃氣處材質(zhì)為GH4169，要經(jīng)受3000℃高溫，其上的燃料噴嘴為1Cr18Ni9Ti，要噴射-196℃的燃料，工作條件惡劣，以往主要采用氣保護釬焊的工藝制造。氣保護釬焊過程中使用惰性氣氛保護產(chǎn)品，受氣氛純度影響，產(chǎn)品焊后表面容易存在“發(fā)黑、發(fā)烏”等現(xiàn)象。文獻[2]顯示，與氣保護釬焊相比，真空釬焊能獲得更好的保護效果和釬焊質(zhì)量，接頭強度也明顯提高。

目前有關GH4169與1Cr18Ni9Ti異種金屬真空釬焊的研究較少，為此，本研究以GH4169高溫合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼為連接材料，采用BNi82CrSiB非晶箔片為釬料，研究分析真空釬焊后的接頭界面組織結構和力學性能，為GH4169與1Cr18Ni9Ti異種金屬真空釬焊提供可靠的理論和試驗基礎，為今后液體火箭發(fā)動機部組件的實際生產(chǎn)提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 焊接材料

試驗母材為1Cr18Ni9Ti和GH4169，化學成分如表1所示。釬料為50μm厚的BNi82CrSiB非晶箔片，化學成分如表2所示，該釬料的熔化溫度范圍970℃～1 000℃。

表1 1Cr18Ni9Ti、GH4169的化學成分％

表2 BNi82CrSiB的化學成分％

1.2 焊前處理

接頭裝配前，先用汽油清洗，再進行酸洗，去除零件表面的油污和氧化膜。

1.3 試驗方法

利用WZQH-30型真空釬焊爐進行釬焊，該釬焊爐最高加熱溫度1 320℃，爐溫均勻性±5℃。本試驗接頭在5×10-3Pa的真空條件下進行焊接，釬焊溫度1 060℃，保溫時間20 min。由于BNi82CrSiB釬料中加入了較多的B、Si元素，使釬料中含有相當多的脆性金屬化合物相，焊縫中容易出現(xiàn)脆性金屬化合物，需要進行釬后擴散處理，改善焊縫性能[3-4]，因此，試驗接頭均在1 000℃下進行60 min的擴散處理。

利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）觀察和分析接頭界面組織形貌和成分。對接頭進行水壓強度試驗，采用Instron1186型萬能試驗機測試釬焊接頭的室溫剪切強度，剪切試件尺寸如圖1a所示，由于搭接試件的焊縫圓角對試驗結果精度影響很大[5]，因此，釬焊后需要對試件進行加工，去除焊縫圓角。去除焊縫圓角的標準剪切試件如圖1c所示。

圖1 剪切試件

2 結果和討論

2.1 GH4169與1Cr18Ni9Ti真空釬焊接頭界面組織

GH4169與1Cr18ni9Ti真空釬焊接頭界面結構及元素線掃描分析結果如圖2所示，圖2a為60 μm間隙的GH4169與1Cr18Ni9Ti真空釬焊接頭微觀組織照片，GH4169與1Cr18Ni9Ti緊密連接，釬縫與母材無明顯分界線、結合緊密。接頭分為釬縫區(qū)、擴散區(qū)和母材區(qū)。經(jīng)過1 000℃/60 min擴散處理后，釬縫區(qū)的組織均勻。

圖2 GH4169與1Cr18ni9Ti真空釬焊接頭界面結構及元素線掃描分析結果

圖2b為橫跨母材和釬縫的主要元素的分布。釬縫區(qū)中的Ni和Si元素的含量高于母材，母材中的Fe、Cr元素在擴散區(qū)含量高于釬縫，由釬縫中心向兩邊母材靠近，Ni、Si元素含量不斷減小。Fe、Cr元素含量不斷升高，這說明在釬縫形成過程中釬料中的Ni、Si原子會向母材擴散，而母材中的Fe、Cr原子不斷向釬縫擴散，最終在釬縫區(qū)域形成了溶有一定含量Fe、Cr和Si等合金元素的鎳基固溶體。在釬焊過程中隨著溫度的升高，釬料逐漸熔化，母材與液態(tài)釬料接觸的表面層會發(fā)生元素擴散。在濃度梯度的驅(qū)動下，液態(tài)釬料中的B、Si、Ni原子擴散進入母材，母材中的Fe、Cr原子向釬縫區(qū)域擴散。B原子半徑最小，其擴散速度最快，B元素部分擴散進入母材，部分與Cr、Nb、Ti等元素結合形成化合物，Si原子向母材的擴散速度（體積擴散）比B原子慢得多，釬料中的Si元素大部分仍然存留在釬縫中，并沒有得到完全的擴散，從而使接頭中心富余Si元素[6-7]。

隨著液態(tài)釬料與固態(tài)母材之間相互擴散過程的持續(xù)，液態(tài)釬料成分發(fā)生了較大的變化，釬料中降熔點元素B、Si減少，F(xiàn)e、Cr等元素含量提高，在整個接頭中分布趨于均勻。釬縫中這些元素成分的變化導致液態(tài)釬料熔點發(fā)生變化，尤其是降熔點元素B減少使得釬料熔點升高，當熔點超過釬焊溫度時，釬縫進入等溫凝固過程。由于B原子擴散速度最快，降熔效果最明顯，等溫凝固過程主要受B元素以及Si元素的擴散控制[8]。在等溫凝固過程中，液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w逐漸消失，當?shù)葴啬踢^程結束時，殘余液體會轉(zhuǎn)變成共晶組織分布在釬縫中央[9]。由于接頭進行了1 000℃/60 min擴散處理，等溫凝固過程后殘余的Si、B等脆性化合物相形成元素繼續(xù)向母材擴散，消除了釬焊過程中形成的有損母材性能的化合物相，釬縫中的組織較為均勻，未發(fā)現(xiàn)金屬的化合物相。

對接頭的不同區(qū)域進行能譜分析，各區(qū)的能譜分析結果見表3。釬縫中心區(qū)域富Si元素，未出現(xiàn)B元素，推斷B元素擴散到母材，受到元素擴散的影響，釬縫的中心區(qū)域是最后才凝固的區(qū)域（熔點變化），此區(qū)域中會富含Si、B元素，但是能譜分析得知此區(qū)域僅有Si元素，經(jīng)過1 000℃/60 min擴散處理，B元素應該是全部向母材擴散，部分擴散進入母材內(nèi)，部分與Cr、Ti、Nb等元素結合形成化合物，硼化物是采用含硼釬料釬焊高溫合金或不銹鋼常見的一類化合物[10-11]。擴散區(qū)中主要有Ni、Cr和Fe三種元素，Si含量低于釬縫區(qū)域，此區(qū)域主要為鎳鐵鉻的固溶體相。

2.2 釬焊接頭的水壓試驗

對在1 060℃/20 min、1 000℃/60 min規(guī)范下獲得的釬焊接頭（間隙60 μm）進行水壓試驗，試驗

參數(shù)及結果如表4所示。

表3 釬焊間隙60 μm的接頭能譜分析％

表4 水壓試驗結果

2.3 釬焊接頭的力學性能

剪切試驗后的接頭實物照片如圖3所示，可以看出，試驗后接頭的1Cr18Ni9Ti棒變長、變細，2#件靠近焊縫處的母材已經(jīng)開始出現(xiàn)斷裂（圖中圓圈所示）。圖中的1#件斷裂在1Cr18Ni9Ti母材處，2#件的斷裂強度為318 MPa，斷裂位置在釬縫附近。

圖3 剪切試件實物

對接頭斷口進行電鏡觀察，如圖4所示。圖4b為A區(qū)的放大照片，變形趨勢為順著剪切力的方向，具有韌性斷裂的特征。對斷口進行能譜分析，結果如表5所示，B區(qū)的Ni含量最高，與焊縫中的Ni含量接近，結合前面的研究分析，推斷B區(qū)為釬縫中心區(qū)域；A區(qū)的Ni含量低于焊縫中的含量，高于1Cr18Ni9Ti母材的含量，F(xiàn)e含量低于1Cr18Ni9Ti母材的含量，但遠高于焊縫中的含量，推斷其為靠近1Cr18Ni9Ti母材一側(cè)的擴散層；C區(qū)的Ni含量也低于焊縫中的含量，F(xiàn)e含量和1Cr18Ni9Ti母材的含量接近，推斷其為比A區(qū)更靠近1Cr18Ni9Ti母材的擴散層，由于接頭在斷裂過程中發(fā)生了路徑的轉(zhuǎn)移，因而獲得了較高的剪切強度。

表5 剪切試件的能譜分析％

圖4 釬焊接頭斷口形貌

3 結論

（1）在1 060℃/20 min、1 000℃/60 min的規(guī)范下，采用厚50μm的BNi82CrSiB非晶箔片通過真空釬焊實現(xiàn)了GH4169高溫合金與1Cr18Ni9Ti的可靠連接。接頭的焊縫區(qū)為溶解了Fe、Cr和Si等合金元素的鎳基固溶體，焊縫中的B元素全向母材擴散了，Si元素大部分仍然存留在焊縫中。

（2）接頭在水壓20 MPa、保壓10 min條件下，釬縫無滲漏及變形情況。接頭的常溫剪切強度值為318 MPa，斷口分析表明接頭的斷裂有韌性斷裂的特征，在斷裂過程中發(fā)生了路徑的轉(zhuǎn)移。

[1]石昆，于治水，李軍，等.釬焊保溫時間對GH738與GH419鎳基合金真空釬焊接頭組織性能的影響[J].金屬鑄鍛焊技術，2010（1）：112-115.

[2]張麗霞，馮吉才.GH3044鎳基合金釬焊接頭的界面組織和強度分析[J].材料科學與工藝，2009,17（6）：770-773.

[3]劉師田，楊凱珍.保溫時間和釬焊溫度對真空釬焊304不銹鋼接頭性能的影響[J].金屬鑄鍛焊技術，2011（3）：172-174.

[4]李天文，郭萬林，淮軍鋒.BNi82CrSiB釬料釬焊GH586高溫合金的工藝研究[J].焊接，2010（1）：52-56.

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Microstructure and mechanical properties analysis of brazed GH4169 and 1Cr18Ni9Ti joint

CHEN Zhikai，LI Xuefei，LV Wei，HAO Feifei，WANG Shuo，XING Bin，PENG Zheng
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

At the specification of 1 060℃/20 min，1 000℃/60 min，GH4169 and 1Cr18Ni9Ti dissimilar metals vacuum brazing experiments were studied with a thickness of 50 μm of BNi82CrSiB solder.The interface structure of the joint was observed and analyzed by SEMand energy spectrum analysis instrument.The shear strength ofthe joints at room temperature was evaluated by using Instron1186 type universal testing machine，the joints'fluid pressure strength was also tested.The study showed that,a gap of 60 μm brazed joints seam dense and complete，it was mainly composed of nickel-based solid solution.At hydraulic fittings 20 MPa，packing 10 min and barometric pressure 15 MPa，packing 10 min，braze weld was not leaky.The joint of strength at room temperature reaches 318 MPa，the fracture analysis results showed that the fracture joint had a toughness fracture characteristics.

dissimilar metal；brazed joints；fracture analysis

TG454

A

1001-2303（2016）10-0125-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.26

獻

陳志凱，李雪飛，呂威，等.GH4169和1Cr18Ni9Ti真空釬焊接頭組織和力學性能[J].電焊機，2016，46（10）：125-128，136.

2015-01-13；

2016-04-06

陳志凱（1985—），男，江西東鄉(xiāng)人，工程師，碩士，主要從事液體火箭發(fā)動機的研究制造工作。