過渡液相擴散焊連接工藝參數(shù)對DD407母材液化的影響*

譚 飛，仵艷影，牛文濤，張成聰，陳玉華，黃永德

（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412000； 2.南昌航空大學江西省航空構件成形與連接重點實驗室，南昌 330000； 3.上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

單晶高溫合金以能夠承受劇烈的溫度載荷和惡劣工作環(huán)境的獨特性能，已經(jīng)成為了航空發(fā)動機渦輪葉片的首選材料，而傳統(tǒng)鑄造技術已經(jīng)很難滿足單晶葉片的制作要求。目前，釬焊、過渡液相擴散焊（TLP）及固相擴散焊等是鎳基單晶連接的主要焊接方法[1–3]，但釬焊接頭的強度和使用溫度都較低，適用范圍窄，工程上主要采用過渡液相擴散焊及固相擴散焊。

在TLP 連接過程中，母材的液化程度會影響影響接頭的等溫凝固過程，進而對接頭寬度及接頭的組織及性能起重要影響。Kim 等[4]采用含B 3.7%的中間層合金對鎳基高溫合金CMSX–2 進行TLP 連接，并研究TLP 連接中母材液化程度對接頭性能的影響。翟秋亞等[5]對DD6 單晶高溫合金進行TLP 連接研究發(fā)現(xiàn)，一定的工藝參數(shù)范圍內，所得連接接頭與母材結合良好，無明顯缺陷。雖然鎳基單晶TLP 擴散焊接頭的綜合性能接近于母材，但焊接過程中的等溫凝固及組織均勻化階段耗時很長，一般需要8～24h[6]。另外，降熔元素（B、Hf、Zr 等）的添加及部分殘留一定程度上使得接頭的使用溫度降低[7–8]。

固相擴散焊不需添加降熔元素，可獲得使用溫度較高的接頭，是鎳基單晶焊接的優(yōu)選方法，但固相擴散焊時，待連接表面的清理要求特別高，而且焊接過程要求采用高的焊接壓力和長的焊接時間，對母材的性能有很大的損害。

將TLP 擴散焊的液相形成過程與固相擴散焊復合，利用過渡液相形成過程對接頭表面的“清洗”作用，在鍛壓力的作用下快速形成固相連接，獲得高溫性能良好的固相連接接頭。過渡液相形成過程對接頭表面的“清洗”作用對接頭的質量至關重要。為此，本文著重研究接頭界面處母材液化規(guī)律，對進一步提升接頭質量具有重要的工程應用價值。

試驗及方法

試 驗 以[001] 取 向DD407 鎳基單晶高溫合金為研究對象，其化學成分如表1 所示[3]。用線切割將母材DD407 鎳基單晶棒切割為14mm×3mm 的圓柱形試樣。采用厚度為20μm 含B 為3.5%的BNi9，中間層合金TLP 連接DD407 試樣。試驗設備采用沈陽真空研究所生產的VBF–446 型真空擴散爐，本試樣的TLP 連接工藝曲線如圖1 所示，以10℃/min 恒定升溫，在溫度到達600℃時保溫20min，隨后爐冷冷卻至室溫。試驗用工藝參數(shù)采用3 因素3水平，各參數(shù)如表2 所示。

沿試樣上表面中心線對試樣縱向切割，取切割后試樣，用腐蝕液對試樣腐蝕，腐蝕液成分為20g CuSO4+80mL HCl+100mL H2O，使用XJP–2C 型倒置光學金相顯微鏡進行微觀組織觀察并測量液化深度，采用Quanta2000 型號掃描電鏡對焊接接頭界面區(qū)域微觀組織進行高倍觀察。

TLP 擴散連接接頭如圖2 所示，利用Image–Pro Plus 6.0 軟件對接頭寬度進行測量，取3 個不同點進行測量，3 個數(shù)值的平均值定為加工后接頭間隙。設W1為中間層厚度，W2為TLP 擴散焊后母材之間的距離，(W2–W1)/2 則為母材液化寬度。

表1 DD407單晶高溫合金的化學成分（質量分數(shù)） Table 1 Chemical composition of DD407 nickel-based single crystal superalloy %

表2 試驗所用工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of experiment

圖1 試樣TLP連接工藝曲線Fig.1 TLP bonding process curve

圖2 TLP擴散連接接頭示意圖Fig.2 Schematic of TLP joint

結果與討論

1 不同工藝參數(shù)條件下的接頭微觀組織

BNi9 中間層合金TLP 連 接DD407 接頭微觀組織形貌如圖3 所示。其中圖3（a）、（c）、（e）分別為加熱溫度1080℃、1100℃、1150℃，保溫時間在5min 條件下的宏觀金相圖?？芍B接界面部分由殘余共晶、鎳基固溶體及擴散區(qū)組成。硼化物相彌散存在于母材與接頭中的鎳基固溶體之間，形成黑色條帶狀即擴散區(qū)；圖3（b）、（d）、（f）分別為圖3（a）、（c）、（e）擴散區(qū)的放大圖，可見，擴散區(qū)寬度隨著溫度的升高明顯增寬。

2 不同工藝參數(shù)條件下的液化區(qū) 寬度

不同工藝參數(shù)條件下液化區(qū)寬度的變化如圖4 所示，其中接頭寬度對應圖2 中的W2，母材液化寬度為(W2–W1)/2。

中間層厚度150μm，保溫時間1min，接頭寬度及母材液化寬度隨加熱溫度而變化如圖4（a）所示?？芍?，母材液化寬度隨著加熱溫度的升高而增大；當加熱溫度為1080℃時，接頭寬度達到224μm，母材液化寬度為37μm；當溫度升高到1100℃時，母材液化寬度與接頭寬度均無明顯改變；當加熱溫度升高到1150℃時，接頭寬度升高至275μm，母材液化寬度升高至60.7μm。

圖3 接頭橫截面組織圖Fig.3 Microstructure of cross section of joint

同理，為了研究保溫時間對母材液化寬度的影響，在加熱溫度為1100 ℃時，中間層合金厚度為150μm，分別取保溫時間1min、3min和5min，觀測接頭中液化區(qū)寬度的變化情況，如圖4（b）所示。可知，接頭寬度和母材液化寬度都隨著保溫時間的增長而趨于增加，保溫時間為1min 時，接頭寬度為224μm，大于原有接頭間隙150μm，說明母材在很短的時間內即發(fā)生液化；當保溫時間為5min 時，接頭寬度為281.5μm，母材液化寬度為65.8μm。隨著保溫時間的增加，界面處之間的元素擴散反應更加充分，母材液化程度增大，母材的液化寬度也隨之增加。

中間層厚度決定中間層合金中與母材發(fā)生反應的元素含量，特別是降熔元素B 的含量，決定了母材的液化寬度。保持保溫時間1min，加熱溫度1100℃，母材液化寬度隨中間層合金厚度的變化如圖4（c）所示。接頭寬度在中間層合金厚度為50μm 時達到81.46μm，此時母材液化寬度為15.7μm；中間層厚度增大到100μm 時，接頭寬度與母材液化寬度均增加，接頭寬度達到155μm，母材液化寬度達到27.5μm，相比于 中間層厚度為50μm 時，母材液化寬度增加近1 倍；中間層厚度增大到150μm 時，接頭寬度增大到224μm，母材液化寬度增大到37μm。

對比圖4（a）～（c），可以發(fā)現(xiàn)圖4（c）中接頭寬度（W2）上升斜率較大，因此，中間層厚度對母材液化的作用較大。分析認為：一方面，中間層厚度的增加，其所含降熔元素含量也隨之增加，擴散更加充分，反應相對活躍[9–11]；另一方面，中間合金層厚度的增大會導致液化中間層對母材的溶解量增加，根據(jù)本文的研究目的，更有利于去除基材表面的不均勻層，達到表面清理的作用。

3 液化區(qū)形成及寬化過程分析

圖4 不同焊接條件下的接頭寬度和母材液化寬度Fig.4 Width of joint and liquefied base metal in deferent welding condition

TLP 擴散連接一般分為接觸液化、液相區(qū)增寬與成分均勻化、等溫凝固和固相成分均勻化4 個階段[12–13]。根據(jù)本文的研究目的，希望獲得較大的液化區(qū)寬度，為此，進一步對液相形成及液相區(qū)增寬過程進行分析。

根據(jù)BNi9 中間層合金與母材的特點，將DD407 鎳基單晶高溫合金與BNi9 的界面反應過程簡化為Ni–B 反應模型[14]。Ni–B 二元相如圖5 所示[3]?？芍?，B 的降熔效果顯著主要是因為B 與Ni 形成了共晶相Ni4B3+NiB，共晶溫度1018℃。

母材液化過程如圖6 所示。隨著加熱溫度的升高，B 元素向母材側擴散，B 元素在液態(tài)釬料中的擴散速度比其在固體母材中的擴散速度快很多，隨著B 元素向固態(tài)母材中的擴散，液/固界面區(qū)的B 元素得到及時補充，保證B 原子不斷供給，為B 原子的擴散提供了一定的濃度梯度（圖6（a））。隨著B 原子的擴散，液/固界面區(qū)母材側B 原子的含量增加，根據(jù)圖5[3]，當其含量達到12%（質量分數(shù)）時，在較低的溫度條件下固態(tài)母材液化，如圖6（b）所示，隨著B 元素的不斷擴散滲透，液相區(qū)的寬度隨之不斷增加[15]，如圖4 所示，與試驗結果一致。由于中間層所含B元素數(shù)量一定，當擴散達到一定程度時，B 元素的含量會相對減小，即進入等溫凝固階段，母材溶解階段結束，母材液化寬度不再繼續(xù)增大，此時液相區(qū)寬度達到最大，如圖6（c）所示。

結論

（1）影響DD407 母材液化的工藝參數(shù)主要有：加熱溫度、保溫時間和中間層合金厚度。中間層合金厚度對母材液化的影響程度相對較大，更有利于去除基材表面的不均勻層，達到表面清理的作用。

（2）在加熱溫度1100℃，保溫時間5min，BNi9中間層厚度150μm時，母材液化的寬度達到65.8μm。

圖5 鎳–硼相圖Fig.5 Ni-B phase diagram

圖6 母材液化過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of liquefaction process of base metal

（3）隨著降熔元素向固相母材中擴散，使得液相中降熔元素的含量降低，發(fā)生等溫凝固，從而使母材的液化區(qū)的寬度不再增加，一定程度上影響了表面清理的效果。