K465鎳基鑄造高溫合金釬焊及其在修復(fù)中的應(yīng)用

李思思 靜永娟 程耀永 裴沖 毛唯

摘要：介紹了目前4種K465鎳基鑄造高溫合金釬焊技術(shù)及其在修復(fù)中的應(yīng)用。對于常規(guī)釬焊間隙，采用Co45NiCrWB、BNi82CrSiB、BNi57NbCoWCrAlSiMo和BNi73CrSiB-40Ni釬料皆適合釬焊K465高溫合金，其中Co45NiCrWB釬料的釬焊接頭性能最好;采用真空電弧釬焊方法和B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料，可實現(xiàn)K465合金與耐磨合金B(yǎng)-2合金的連接，釬焊縫連續(xù)、致密、無裂紋等未焊合缺陷，葉片組織未見晶粒長大現(xiàn)象;采用FGH95鎳基合金粉為預(yù)填高熔點粉末的方法可實現(xiàn)0.5 mm大間隙的K465合金釬焊;真空電子束釬焊作為一種高質(zhì)量、高效率、精確控制的制造技術(shù)，對各種精密、復(fù)雜部件連接制造具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：K465鎳基高溫合金;釬焊;真空電弧釬焊;大間隙釬焊;真空電子束釬焊

中圖分類號：TG454文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）11-0037-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.07

0 前言

K465合金是一種合金化程度很高的鎳基鑄造高溫合金，其主要合金元素含量如表1所示。該合金的熱強(qiáng)性及承溫能力較強(qiáng)、高溫抗氧化性能較好，主要用于制作工作溫度低于1 050 ℃的發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片[1-4]，如Д-30發(fā)動機(jī)的渦輪工作葉片為K465合金材料，工作葉片共有6級、每級葉片80～84件。Д-30發(fā)動機(jī)的K465合金渦輪工作葉片如圖1所示。葉片的制造過程中常涉及到釬焊技術(shù)。此外，在發(fā)動機(jī)使用過程中，由于磨損、沖擊、高溫燃?xì)夂屠錈崞诘茸饔?，葉片表面容易產(chǎn)生裂紋、腐蝕和磨損等缺陷，致使大量葉片報廢。因此，工作葉片等熱端部件往往是發(fā)動機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。采用先進(jìn)修復(fù)技術(shù)對存在缺陷尤其是表面裂紋缺陷的渦輪葉片進(jìn)行修復(fù)，可延長葉片使用壽命、減少葉片的更換，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益。國內(nèi)外已開展了葉片修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工程化應(yīng)用研究。常見葉片修復(fù)技術(shù)包括熔焊、等離子焊、激光焊、固相擴(kuò)散焊、釬焊及大間隙釬焊等，但主要采用的是釬焊工藝方法。

1 K465鑄造高溫合金的釬焊

釬焊技術(shù)是發(fā)動機(jī)渦輪葉片生產(chǎn)和修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。高溫合金釬焊包括常規(guī)間隙（0～0.15 mm）釬焊和大間隙（>0.15 mm）釬焊。常規(guī)釬焊直接采用鈷基或鎳基釬料進(jìn)行釬焊連接，由于釬料中含有B、Si等元素，釬縫中硼化物或硅化物等硬度較高的化合物相成為接頭性能的薄弱環(huán)節(jié)[4-6]。化合物相的數(shù)量及形態(tài)對接頭性能有較大影響，通過釬焊后擴(kuò)散處理，使降熔元素B等擴(kuò)散至母材，從而減少了化合物相，可提高接頭性能[7-8]。此外，高溫長時間擴(kuò)散可以消除脆性化合物相，獲得性能接近K465母材的等溫凝固接頭。當(dāng)釬焊間隙略大時，采用熔化溫度區(qū)間較大的釬料也可以實現(xiàn)連接，但接頭脆性化合物相數(shù)量多、接頭性能不佳。當(dāng)間隙較大時（如0.5 mm），熔化釬料對間隙部位的毛細(xì)作用不再存在，需采用大間隙釬焊方法進(jìn)行連接。

中國航發(fā)北京航空材料研究院（以下簡稱航材院）采用BNi57NbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）和Co45NiCrWB在1 220 ℃/15 min規(guī)范下釬焊K465合金，并在焊后進(jìn)行固溶處理，BNi57NbCoWCrAlSiMo釬料釬焊接頭室溫拉伸強(qiáng)度為862 MPa，975 ℃持久強(qiáng)度達(dá)到母材性能指標(biāo)的40%;Co45NiCrWB釬料釬焊接頭室溫拉伸強(qiáng)度為714 MPa，975 ℃持久強(qiáng)度可達(dá)到母材性能指標(biāo)的50%[9]。

針對Д-30發(fā)動機(jī)K465合金渦輪工作葉片鋸齒冠磨損缺陷的釬焊修復(fù)，航材院研究了K465合金與耐磨合金ВКНА-2М的真空釬焊[10]。研究發(fā)現(xiàn)，BNi73CrSiB-40Ni（俄ВПр11-40H）混合粉末釬料與BNi82CrSiB釬料均可用于K465/ВКНА-2М的釬焊。BNi73CrSiB-40Ni釬料釬焊接頭靠近K465母材一側(cè)的釬縫基體為γ+γ'組織，而釬縫其他部位的基體則為γ固溶體，在其上也分布著一些γ+γ'組織，如圖2所示。BNi82CrSiB釬料下釬焊接頭組織與B-Ni73CrSiB-40Ni-S釬料類似，但BNi82CrSiB釬料釬焊接頭中，黑色的Cr23C6碳化物相較BNi73CrSiB-40Ni-S釬料釬焊接頭細(xì)小得多，且分布也較彌散;其中灰色化合物較多，尺寸也較大。這是Cr23C6碳化物相和灰色塊狀鎳的硅硼復(fù)合化合物。

針對K465合金渦輪導(dǎo)向葉片的雙聯(lián)組焊及導(dǎo)流片、蓋板的釬焊，中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)公司采用BNi57NbCoWCrAlSiMo釬料在1 220 ℃/30 min規(guī)范下對K465合金及K465/GH3039進(jìn)行了釬焊，并測試其性能，結(jié)果如表2、表3所示。由表2可知，K465合金自身釬焊接頭室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材技術(shù)指標(biāo)（830 MPa），接頭975 ℃/180 MPa持久壽命為46 h，達(dá)到母材技術(shù)指標(biāo)的80%。由表3可知，K465/GH3039異種高溫合金釬焊接頭800 ℃抗拉強(qiáng)度超過GH3039母材技術(shù)指標(biāo)（245 MPa），900 ℃、975 ℃溫度下試樣皆斷于GH3039母材，接頭900 ℃/42 MPa持久壽命為124 h，超過GH3039母材持久壽命，且斷于GH3039母材[12]。

2 真空電弧釬焊

電弧釬焊的電弧加熱集中、熱輸入量小，對零件進(jìn)行釬焊時變形量很小，焊接熱影響區(qū)小，操作方便、節(jié)能高效又易于實現(xiàn)自動化。同時，電弧特有的去除氧化膜作用、帶電粒子的沖擊活化作用，都是常規(guī)電弧焊和釬焊無法具備的[13-14]。

真空電弧釬焊是發(fā)動機(jī)渦輪葉片修復(fù)方法之一。在發(fā)動機(jī)工作過程中，渦輪葉片的葉冠接觸面由于振動面磨損，使葉冠間隙增加，往往導(dǎo)致葉根振動以至疲勞斷裂。在俄羅斯，真空電弧釬焊已成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計制造中，該技術(shù)將耐磨鑲片釬焊在易磨損面上，如圖3所示[15]。在每臺發(fā)動機(jī)制造中，利用真空電弧釬焊修復(fù)技術(shù)可以使葉片工作壽命提高2～4倍。采用真空電弧釬焊技術(shù)，在渦輪葉片葉冠耦合面上鑲焊一層耐磨鑲片，鑲片材料的高溫耐磨性能優(yōu)于葉片材料，從而可以顯著改進(jìn)葉冠耦合面的耐磨性能。

為實現(xiàn)某發(fā)動機(jī)低壓渦輪葉片鋸齒冠耐磨片的連接，采用B-Ni65CoCrWBMoAlNb（俄ВПр27）釬料，對K465合金與B-2（俄ВЖЛ2）耐磨合金進(jìn)行了真空電弧釬焊試驗和焊后耐磨片的撕裂試驗。真空電弧釬焊設(shè)備工作原理如圖4所示。在真空壓力不低于2×10-2 Pa、電流范圍3～30 A及電弧長度10～30 mm條件下，用B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料可實現(xiàn)K465合金與B-2合金釬焊連接，釬焊縫連續(xù)、致密，釬料填滿釬焊間隙、無裂紋等未焊合缺陷;葉片經(jīng)釬焊熱循環(huán)后其組織未見晶粒長大現(xiàn)象。相應(yīng)接頭剪切力測試值達(dá)到2 727 N，滿足技術(shù)條件的要求（大于980 N）。釬焊的低壓渦輪葉片鋸齒冠耐磨片通過了發(fā)動機(jī)長試考核[4]。

3 K465鑄造高溫合金大間隙釬焊技術(shù)

大間隙釬焊具有效率高、修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢，且可以減少孔洞、降低化合物相和共晶組織的尺寸及數(shù)量，從而獲得較高性能的修復(fù)接頭[5]。近30年，針對不同材料和間隙開發(fā)的大間隙釬焊技術(shù)得到了快速發(fā)展和工程應(yīng)用。如Liburdi公司的LPM工藝可一次性修復(fù)6 mm缺陷，采用疊層方法可一次性修復(fù)16 mm缺陷[6]。大間隙釬焊技術(shù)主要包含兩種方法：混合粉末法和預(yù)置高熔點粉末法?；旌戏勰┓ㄊ侵父呷埸c金屬粉末可與釬料混合后密實填入間隙，實現(xiàn)釬料熔化、潤濕，粉末體團(tuán)聚燒結(jié)及燒結(jié)體與工件基體之間的冶金連接。該方法下混合粉末會有少許收縮，因此對修復(fù)缺陷尺寸及形貌均會產(chǎn)生一定的影響[7-8]。預(yù)置高熔點粉末法是預(yù)制密實的高熔點金屬粉末填入大間隙部位而釬料置于間隙外靠近間隙處，釬料熔化潤濕母材及合金粉，在高熔點金屬粉末間的毛細(xì)作用下流入合金粉間隙而形成連接。二者的共同特點是：除釬料外均需填充高熔點金屬粉末，釬焊時高熔點粉末不熔化、起骨架作用，釬料填充間隙轉(zhuǎn)變?yōu)楦呷埸c粉末間的間隙，減小了間隙又存在毛細(xì)作用，因此可實現(xiàn)釬焊連接或缺陷修復(fù)。

大間隙釬焊所采用的釬料、高熔點金屬粉、釬焊工藝以及高熔點金屬粉與釬料的比例等對接頭性能影響較大。大間隙釬焊雖然采用合金粉，但釬料用量仍高于常規(guī)釬焊接頭。大間隙釬焊接頭也可以通過焊后熱處理來提高接頭性能[5]。國內(nèi)外在大間隙釬焊方面都做了較多研究，獲得了較好的接頭性能[16-17]。

采用BNi57NbCoWCrAlSiMo釬料和FGH95鎳基高熔點金屬粉末對0.5 mm大間隙的K465合金接頭進(jìn)行釬焊，發(fā)現(xiàn)接頭中硅化物及硼化物相不僅是接頭的薄弱環(huán)節(jié)，而且其數(shù)量、形態(tài)對接頭性能影響較大，其中漢字型及骨架狀化合物相往往是裂紋的起源部位[18]。

航材院采用FGH95鎳基合金粉作為預(yù)填高熔點粉末對0.5 mm大間隙的K465合金接頭進(jìn)行釬焊[19-20]。采用的釬料為Co45NiCrWB，大間隙釬焊用接頭性能試樣如圖5所示。結(jié)果表明：在1 220 ℃、保溫0.5 h下獲得的釬縫組織由合金粉顆粒及顆粒間的相構(gòu)成，顆粒內(nèi)為γ+γ'兩相組織，顆粒間為γ+γ'兩相基體上分布硼化物、硅化物及γ+γ'共晶組織，如圖6所示;隨釬焊保溫時間的延長，合金粉顆粒長大，化合物相及γ+γ'共晶組織合并，總量減少，如圖7所示;釬焊保溫時間為0.5～4 h時，接頭平均持久壽命由31.59 h提高至54.58 h，但難以獲得高性能等溫凝固接頭。此外，預(yù)置高熔點粉末法要求缺陷部位的底部間隙不能過大，否則會造成漏粉而形成二次缺陷;由于預(yù)先對合金粉進(jìn)行燒結(jié)，釬焊連接時不伴有體積變化，因此接頭質(zhì)量穩(wěn)定，且對于鏤空缺陷如導(dǎo)向器葉片進(jìn)氣邊大塊燒蝕可實現(xiàn)有效連接[21-22]。除以上預(yù)填粉末和預(yù)填高熔點粉末的方法，采用混合帶和混合粉的方法時由于釬料與合金粉混合放置，釬焊燒結(jié)連接時產(chǎn)生體積收縮，易產(chǎn)生裂紋凹坑等缺陷，修復(fù)質(zhì)量不易保證，因此不推薦使用。對熱等靜壓處理后接頭組織的分析結(jié)果表明，熱等靜壓可有效去除接頭顯微孔洞。

4 K465高溫合金真空電子束釬焊修復(fù)技術(shù)

真空電子束釬焊是用電子束作為熱源進(jìn)行真空釬焊，使電子束由點熱源轉(zhuǎn)化為面熱源，實現(xiàn)零件的局部高速均勻加熱。該工藝具有普通真空釬焊無法比擬的優(yōu)越性，如高溫停留時間短、釬料對母材的溶蝕少、輸入能量精密可控、能量輸入路徑可任意編輯等[23-25]。該技術(shù)作為一種高質(zhì)量、高效率、精確控制的制造技術(shù)，對各種精密、復(fù)雜部件連接制造具有非常重要的意義[26]。

針對K465鎳基高溫合金，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了采用BNi82CrSiB和B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料的真空電子束釬焊修復(fù)技術(shù)。首先研究了主要工藝參數(shù)對釬料潤濕性的影響，包括束流、加熱時間和聚焦電流等[27-28]，變化趨勢如圖8所示。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著束流、加熱時間及聚焦電流的升高，兩種釬料的潤濕性都有所提升，且兩種釬料對K465合金都有較好的潤濕性，同質(zhì)量的BNi82CrSi釬料潤濕性優(yōu)于B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料。但是考慮到鎳基高溫合金工程實用結(jié)構(gòu)的高溫服役要求及延長接頭使用壽命的需要，推薦選取熔點更高的B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料，同時工藝實施時采用小束流、合理控制加熱時間，以避免可能出現(xiàn)的溶蝕或者母材熔化現(xiàn)象[29]。接頭的抗剪強(qiáng)度與束流、加熱時間的關(guān)系如圖9所示。在釬焊接頭界面中生成鎳基γ固溶體、Ni2Si相、Ni3B相、Ni3Al相和Ni3Si相5種產(chǎn)物[30-31];當(dāng)束流為2.8 mA、加熱時間為280 s、聚焦電流為1 800 mA時，開非貫通槽模擬件接頭的拉伸試件斷裂于釬縫中心，斷口呈典型的脆性穿晶斷裂特征。

由于K465高溫合金Al、Ti含量較高，特別是有高的γ'強(qiáng)化相形成因子（Al+Ti），導(dǎo)致熔焊修復(fù)時會在熔化區(qū)和熱影響區(qū)形成熱裂紋和焊后熱處理的時效裂紋，此外采用熔焊修復(fù)較大尺寸缺陷時會導(dǎo)致大的焊接變形。

5 結(jié)論

大間隙釬焊典型的釬縫組織由金屬顆粒和其周圍化合物鏈或束的釬料金屬構(gòu)成。不斷改善釬縫組織、提高釬焊接頭性能，以及采用各種措施提高可一次性修復(fù)缺陷尺寸是大間隙釬焊修復(fù)高溫合金渦輪葉片的發(fā)展目標(biāo)。而真空電子束釬焊修復(fù)工藝具有普通真空釬焊無法比擬的優(yōu)越性，如高溫停留時間短、釬料對母材的溶蝕少、輸入能量精密可控、能量輸入路徑可任意編輯等。將電子束釬焊用于鎳基高溫合金葉片的修復(fù)，不僅提高了葉片的修復(fù)質(zhì)量，對提高生產(chǎn)效率、節(jié)省能源等都具有重要意義。

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