鎳基高溫合金用釬料研究進(jìn)展

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(1.大連理工大學(xué) 遼寧 大連 116023; 2.北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100095)

0 前言

鎳基高溫合金因其優(yōu)異的性能，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其在連接結(jié)構(gòu)中的鎳基高溫合金零部件，往往是影響部件整體性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。釬焊是鎳基高溫合金零部件制造過(guò)程中最常用的連接工藝，可以根據(jù)實(shí)際要求來(lái)設(shè)計(jì)或選用釬料，制備具有高強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)異性能的釬焊接頭，實(shí)現(xiàn)各零部件的可靠連接。文中將對(duì)適用于鎳基高溫合金釬焊的銀基釬料、銅釬料、金基釬料和鎳基釬料進(jìn)行歸納、總結(jié)與展望。

1 鎳基高溫合金簡(jiǎn)介

鎳基高溫合金是以鎳為基體，具有良好高溫強(qiáng)度、組織穩(wěn)定性和抗氧化腐蝕性能的一類合金，廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。圖1為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)[1]，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的四大熱端部件中，燃燒室和渦輪盤(pán)多使用變形高溫合金，其中燃燒室壁的典型材料為GH3039和GH3044[2]，而渦輪盤(pán)所占質(zhì)量最大，常見(jiàn)材料有GH4169合金；導(dǎo)向葉片和渦輪葉片所用材料則逐步從早期的變形鎳基高溫合金到普通鑄造、定向凝固再到單晶高溫合金，如GH4049，K403，DZ125，DD6等[3-4]。圖2為Rolls-Royce航空發(fā)動(dòng)機(jī)中各材料的具體分布[5]。目前鎳基高溫合金在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量可達(dá)50%以上，故也被稱作為“航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟”[6]。

圖1 鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)

圖2 Rolls-Royce航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常見(jiàn)材料分布

在高溫合金實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要將各高溫工作部件焊接在一起。如在航空航天領(lǐng)域，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，導(dǎo)向葉片可采用多聯(lián)結(jié)構(gòu)[7]，或是對(duì)蜂窩封嚴(yán)環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等部件進(jìn)行焊接，從而避免了傳統(tǒng)的螺栓、螺釘連接結(jié)構(gòu)，達(dá)到減重和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的目的[8-9]。而在鎳基高溫合金的焊接中，由于其成分復(fù)雜，焊接性較差，容易出現(xiàn)熱裂紋、晶間腐蝕和氣孔等缺陷[10]，常規(guī)的焊接方法無(wú)法保證鎳基高溫合金的焊接接頭質(zhì)量，而釬焊能夠在避免母材熔化的情況下，得到結(jié)構(gòu)致密、變形小、綜合性能高的焊接接頭，并且能對(duì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，因此釬焊成為鎳基高溫合金焊接最常用的連接方法。

2 鎳基高溫合金釬料的種類

鎳基高溫合金在釬焊過(guò)程中，需要考慮釬料的成分、熔化溫度、潤(rùn)濕性以及生產(chǎn)成本等因素，因此釬料的選擇很重要。在實(shí)際應(yīng)用中使用的釬料主要有銀基釬料、銅釬料、金基釬料以及鎳基釬料[11-12]，以下對(duì)這4種釬料進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

(1) 銀基釬料。銀基釬料的工藝性能優(yōu)良，具有良好的導(dǎo)電性、潤(rùn)濕性和抗腐蝕性能，是一種應(yīng)用較廣泛的硬釬料[13]。同時(shí)銀基釬料的熔化溫度普遍較低，一般為600～1 100 ℃[14]，適用于釬焊服役溫度相對(duì)較低的工件。

(2) 銅釬料。銅釬料包括純銅釬料和銅基釬料，具有延展性高、蒸氣壓低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良以及低成本等優(yōu)點(diǎn)。使用純銅作釬料時(shí)，其釬焊溫度通常在1 100 ℃以上，并在真空或氣體保護(hù)氛圍下進(jìn)行釬焊，但過(guò)高的釬焊溫度會(huì)使母材發(fā)生晶粒長(zhǎng)大等現(xiàn)象[15]。同時(shí)由于銅的抗高溫氧化性能較差，故使用純銅釬料釬焊的工件服役溫度不宜超過(guò)400 ℃。銅基釬料的釬焊溫度相對(duì)純銅釬料要低，并且由于合金元素的加入，釬料的高溫強(qiáng)度、潤(rùn)濕性、抗氧化性能等也得到相應(yīng)改善，因此銅基釬料也是一類具有應(yīng)用前景的釬料。

(3) 金基釬料。因金元素本身化學(xué)性質(zhì)不活潑，不易被氧化腐蝕，并難以形成化合物，故金基釬料具有較強(qiáng)的抗高溫氧化性能，且在釬焊過(guò)程中不易引入脆性相。同時(shí)金基釬料還具有蒸氣壓低、潤(rùn)濕性和流動(dòng)性良好的優(yōu)點(diǎn)，在電子及航空航天領(lǐng)域，金基釬料被廣泛使用[16]。

(4) 鎳基釬料。鎳基釬料是鎳基高溫合金釬焊中使用最普遍的釬料，它具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、耐熱腐蝕和抗氧化性能，釬焊溫度通常在1 050～1 250 ℃。

3 釬料中常用添加元素及其作用

釬焊鎳基高溫合金所采用的釬料中，通常會(huì)加入各類合金元素來(lái)改善其綜合性能。其中銀基釬料常用添加元素有Cu，Ti，Pd，Zn，Sn，Cd，Ni，Ga，In等[11,17-20]；銅基釬料常用添加合金元素有Sn，Ag，Mn，Ti，Ni，B，F(xiàn)e，Co等[11,15]；金基釬料常用添加元素有Ni，Cu，Pd，Ti，Cr，In等[11,16]；鎳基釬料常用添加元素有Cr，Si，B，P，F(xiàn)e，W，C，Mn[21-23]以及稀有元素Hf，Zr[24-25]等。各添加元素及其作用如表1所示。

表1 4種釬料中常用添加元素及其作用

4 不同釬料釬焊鎳基高溫合金研究現(xiàn)狀

4.1 銀基釬料

目前銀基釬料主要是在Ag-Cu-X的基礎(chǔ)上添加各類合金元素進(jìn)行研究，適用于鎳基高溫合金釬焊的銀基釬料中，主要有Ag-Cu-Zn-Sn系、Ag-Cu-Ti系、Ag-Cu-Pd系釬料，其接頭釬縫中以Ag固溶體、Cu固溶體為主。

Khorram等人[12,26]采用Ag-Cu-Zn-Sn釬料激光釬焊Inconel 718合金，接頭組織如圖3a所示，釬縫中間部位主要由灰色塊狀的α-Cu固溶體(A)和白色區(qū)域的α-Ag固溶體(B)組成，接頭室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)338 MPa。圖3b為Ag-Cu-Ti系釬料真空釬焊Inconel 600 合金的接頭組織[27- 28]，可見(jiàn)釬料中的Ag，Cu元素在釬焊過(guò)程中向母材擴(kuò)散，并形成富Ag相及富Cu相，同時(shí)母材中的Ni，Cr，F(xiàn)e等元素在濃度梯度下向釬縫擴(kuò)散，在界面處與釬料中元素形成反應(yīng)層(Ni3Ti，CuTi等)，并由兩側(cè)向釬縫中央生長(zhǎng)，當(dāng)反應(yīng)層生長(zhǎng)至橫跨釬縫時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度最高為223 MPa。宋宇鉉等人[29]使用Ag-21Cu-25Pd釬料激光釬焊Inconel 600合金，接頭拉伸斷裂位置位于母材。但銀基釬料成本較高，用相對(duì)廉價(jià)的元素降低釬料中銀的含量或取代銀將成為銀基釬料的一個(gè)重要發(fā)展方向。表2列出了采用銀基釬料釬焊鎳基高溫合金的工藝參數(shù)和室溫下接頭力學(xué)性能。

圖3 銀基釬料釬焊鎳基合金接頭組織

表2 采用銀基釬料釬焊鎳基高溫合金的工藝參數(shù)及接頭力學(xué)性能

4.2 銅釬料

銅釬料中純銅，Cu-Sn，Cu-Ag，Cu-Mn系釬料[15]較多地應(yīng)用于航空工業(yè)中的中低溫部位，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管，即可使用銅釬料實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金與不銹鋼的釬焊連接。使用銅釬料釬焊鎳基高溫合金時(shí)，因Cu與Ni能夠無(wú)限固溶實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)合，同時(shí)母材中Ni能夠提高銅釬料的高溫強(qiáng)度和抗氧化腐蝕性能，故使用銅釬料能夠得到性能優(yōu)異的釬焊接頭。銅的成本較低，也有利于銅釬料的廣泛應(yīng)用。

Chen等人[31]利用純銅箔帶真空釬焊Inconel 625合金，最高抗剪強(qiáng)度達(dá)470 MPa，其接頭組織如圖4a所示。釬縫主要由灰色的Cu/Ni富集相基體(A)組成，同時(shí)Cu/Ni基體中分布著CrNi3析出物與白色的Cr/Mo/Nb/Ni四元化合物，界面處的塊狀區(qū)域(B)為母材顆粒與Cu的混合物；圖4b為L(zhǎng)u等人[32]使用Cu-6Sn釬料真空釬焊Inconel 600合金的接頭組織，釬縫由Cu/Ni富集相組成，同時(shí)在釬縫界面處出現(xiàn)一層黑色的Cr3C2碳化物，接頭室溫最高抗剪強(qiáng)度為353 MPa。采用銅釬料釬焊鎳基高溫合金的工藝參數(shù)和室溫下接頭力學(xué)性能如表3所示。

圖4 銅釬料釬焊鎳基合金接頭組織

表3 采用銅釬料釬焊鎳基高溫合金的工藝參數(shù)及接頭力學(xué)性能

4.3 金基釬料

適用于鎳基高溫合金釬焊的金基釬料多為Au-Cu系，Au-Ni系以及Au-Ni-Pd系釬料[11]，而在Au-Ni系中Au-18Ni和Au-17.5Ni釬料應(yīng)用最為廣泛。

圖5為采用Au-Ni-Pd系釬料紅外線釬焊422 SS/Inconel 601合金接頭組織[34]，釬縫中央主要由白色的富Au相與灰色的富Ni相組成，同時(shí)在422 SS界面處可檢測(cè)到Fe/Ni富集相出現(xiàn)，釬縫中無(wú)金屬間化合物形成。Song等人[29]使用Au-18Ni釬料激光釬焊Inconel 600合金，接頭拉伸時(shí)斷裂在母材。但金基釬料的造價(jià)十分昂貴，許多應(yīng)用領(lǐng)域望而生畏，在航空領(lǐng)域也僅用于發(fā)動(dòng)機(jī)等高尖端部位。采用金基釬料釬焊鎳基高溫合金的工藝參數(shù)和接頭力學(xué)性能如表4所示。

圖5 70Au-22Ni-8Pd釬料釬焊422 SS/Inconel 601接頭組織

表4 采用金基釬料釬焊鎳基高溫合金的工藝參數(shù)及接頭力學(xué)性能

4.4 鎳基釬料

鎳基釬料因與鎳基高溫合金母材成分相近，故在接頭釬縫中多為Ni/Cr固溶體基體，但釬料中的B，Si等降熔元素在釬焊過(guò)程中易形成脆性化合物[35-36]，因此根據(jù)實(shí)際需要調(diào)控B，Si等元素來(lái)規(guī)避有害相，將成為鎳基釬料的研究重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外使用的鎳基釬料大多為Ni-Cr-Si-B，Ni-Cr-B，Ni-Cr-W-B，Ni-Cr-Si系釬料。

Ni-Cr-Si-B系釬料應(yīng)用最為廣泛，所得接頭強(qiáng)度也較高，如Wu等人[37]使用BNi-2釬料真空釬焊Inconel 718和Inconel X-750合金，接頭最高抗剪強(qiáng)度為503 MPa；李天文等人[38]使用BNi82CrSiB釬料真空釬焊GH586合金，接頭室溫抗拉強(qiáng)度為1 130 MPa，達(dá)母材強(qiáng)度的76%。Chen等人[39]使用MBF-51釬料(Ni-Cr-Si-B系)真空釬焊Inconel 625合金，其接頭組織如圖6a所示。釬縫中灰色區(qū)域主要為Ni/Cr固溶體基體，由于Si原子半徑較大，擴(kuò)散速度慢，故在釬縫中間部位形成富硅化合物(Nb6Ni16Si7)，B元素則沿晶界擴(kuò)散，在母材晶界處形成硼化物。但硅化物及硼化物均為脆性相，會(huì)損害接頭性能。

在釬焊過(guò)程中，由于釬縫中的硅化物不易通過(guò)擴(kuò)散處理消除，為避免Si元素的影響，可采用不含Si的Ni-Cr-B釬料釬焊鎳基高溫合金。Ojo等人[40]使用NB150釬料及Amdry DF-3活性擴(kuò)散釬料釬焊Inconel 738合金，接頭900 ℃高溫抗拉強(qiáng)度分別為318 MPa和402 MPa，達(dá)母材強(qiáng)度的70%和88%。圖6b為采用Ni-Cr-B系釬料釬焊DD6/FGH96合金的接頭組織[41]，釬縫主要由Ni/Cr固溶體基體組成，同時(shí)在基體中分布著少量(Mo，W)B，Ni3B等硼化物，而B(niǎo)元素則沿晶界向FGH96母材大量擴(kuò)散，形成白色的(Mo，W)B化合物，但由于DD6為單晶結(jié)構(gòu)，缺乏大角度晶界，故B元素難以向DD6母材處擴(kuò)散。

B元素由于原子半徑小，擴(kuò)散速度快，當(dāng)釬料中B元素含量較多或釬焊溫度過(guò)高、保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溶蝕、晶間滲入等現(xiàn)象[42]，同時(shí)也會(huì)引起母材中Cr的貧化，使接頭強(qiáng)度和抗腐蝕性能下降[25]。在釬料中加入W元素，將會(huì)抑制B元素的晶界擴(kuò)散，從而提高接頭的綜合性能。劉文慧等人采用BNi68CrWB釬料釬焊GH783合金[43]，接頭室溫最高抗拉強(qiáng)度達(dá)701 MPa，650 ℃最高抗拉強(qiáng)度達(dá)696 MPa；楊敏旋等人采用BNi68CrWB釬料釬焊K42 /GH648合金[10]，接頭斷裂在K42母材。孫妍等人使用Ni-Cr-W-B系釬料釬焊K24/GH648合金[44]，其接頭組織如圖6c所示。釬縫中白色區(qū)域?yàn)閃B，MoB2化合物，黑色區(qū)域?yàn)镃rB，在GH648側(cè)擴(kuò)散區(qū)有(W，Cr)B化合物產(chǎn)生，Ni-Cr析出相沿晶界分布。

為避免B元素對(duì)母材所造成的溶蝕現(xiàn)象，可選用無(wú)硼釬料。圖6d為采用Ni-Cr-Si釬料釬焊GH3128合金的接頭組織[45]，Si在釬焊過(guò)程中由于濃度梯度向母材擴(kuò)散，在母材界面處形成 (Ni，Cr，Mo，W)Si金屬間化合物，同時(shí)由于擴(kuò)散不充分，在釬縫中央會(huì)形成富硅化合物。其接頭常溫抗剪強(qiáng)度為416 MPa，900 ℃抗剪強(qiáng)度達(dá)210 MPa。

對(duì)降熔元素進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)Hf，Zr在釬焊過(guò)程中不易產(chǎn)生脆性相，同時(shí)由于Hf，Zr的原子半徑大，擴(kuò)散速度慢，當(dāng)釬焊時(shí)間較短時(shí)，對(duì)母材溶蝕作用也相對(duì)較小[24]，因此Hf，Zr將成為逐步取代Si，B的重要降熔元素。 Lugscheider等人[25]使用Ni-Hf基釬料釬焊Inconel 600合金與1.4301不銹鋼，接頭強(qiáng)度可達(dá)587 MPa。葉雷等人[24]使用以Hf，Zr為降熔元素的鎳基釬料對(duì)IC10高溫合金進(jìn)行釬焊，接頭900 ℃高溫強(qiáng)度為698 MPa，達(dá)母材強(qiáng)度的90%以上。采用鎳基釬料釬焊鎳基合金的工藝參數(shù)和接頭力學(xué)性能如表5所示。

圖6 鎳基釬料釬焊鎳基合金接頭組織

表5 采用鎳基釬料釬焊鎳基合金的工藝參數(shù)和接頭力學(xué)性能

5 結(jié)束語(yǔ)

釬焊鎳基高溫合金常用的釬料有銀基釬料、銅釬料、金基釬料以及鎳基釬料，其中銀基釬料與銅釬料應(yīng)用于中低溫部件，金基釬料與鎳基釬料主要應(yīng)用于高溫部件。釬料中所添加合金元素的主要作用為降低釬料熔點(diǎn)，提高高溫強(qiáng)度和抗氧化腐蝕性能，改善釬料的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，細(xì)化晶粒以及降低成本。

采用銀基釬料、銅釬料與金基釬料釬焊鎳基高溫合金所得接頭組織主要為相應(yīng)的固溶體基體，脆性化合物較少，但釬縫基體的強(qiáng)度限制了接頭總體強(qiáng)度。鎳基釬料中由于含有B，Si等降熔元素，在接頭中會(huì)生成硼化物、硅化物等有害脆性相?？紤]生產(chǎn)成本，銀基釬料與金基釬料將會(huì)分別朝低銀、代銀及低金、代金方向發(fā)展；降低銅基釬料的熔點(diǎn)，提高抗氧化腐蝕性能，朝著多元合金化方向發(fā)展，將是銅基釬料的研究重點(diǎn)；通過(guò)調(diào)控B，Si來(lái)減弱和規(guī)避脆性化合物的影響，或使用其它降熔元素(Hf，Zr等)替代B，Si，同時(shí)不引入新的脆性相，將是鎳基釬料未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

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