刷式密封結(jié)構(gòu)GH4169+Haynes214電子束焊接組織及密封性能研究

劉 穎，張世偉，周 坤，張博賢，楊朝曦

（1.中國航空制造技術(shù)研究院航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024；2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究院，株洲 412002）

隨著航空飛行器朝著輕量化、高速化方向的發(fā)展，對航空發(fā)動機(jī)的密封性能提出更高的要求。密封裝置是航空發(fā)動機(jī)的重要零部件之一，承擔(dān)著機(jī)械系統(tǒng)正常有效運轉(zhuǎn)的功能，航空發(fā)動機(jī)氣路和主軸承腔部位有多達(dá)幾十處密封裝置，是保證航空發(fā)動機(jī)性能不可或缺的重要部分。相比于傳統(tǒng)的迷宮密封，接觸式動刷式密封結(jié)構(gòu)的性能更加優(yōu)越[1]，是近年來發(fā)展的先進(jìn)柔性密封技術(shù)，對于航空發(fā)動機(jī)性能 （如推重比、可靠性、低油耗、工作壽命等）提升具有極其重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對刷式密封進(jìn)行了大量試驗研究[2–3]。其中刷式密封結(jié)構(gòu)是采用高能電子束流將前、后擋板（高溫合金）和夾在其間的細(xì)金屬絲束焊接而成。在焊接高溫合金時，熔池經(jīng)歷熔化–結(jié)晶–凝固過程，基體中的γ'相、γ''相、碳化物等形成單一的γ相，在凝固–結(jié)晶過程中，由于大的冷卻速度，形成粗大的樹枝晶+短小的橫向枝晶組織，存在較大的成分偏析，致使焊接接頭的綜合性能降低。與常規(guī)焊接工藝相比，電子束焊接具有精確、高效的可控性，能量密度高、焊接熱輸入及焊接變形小，焊接質(zhì)量高等優(yōu)點。尤其是對于高溫合金的焊接[4–5]，電子束焊易于得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭而得到廣泛的關(guān)注和青睞[6]。She等[7]采用正交試驗對電子束焊接3 mm GH4169合金板的工藝–組織–性能進(jìn)行了研究，考察了焊接電壓、焊接速度及束流對接頭性能的影響，從而獲得了良好的焊接工藝窗口。Chen等[8]采用電子束焊接GH4169合金，焊縫成形良好且無缺陷，熔池中的Mn元素形成高熔點化合物Mn2Nb相抑制液化裂紋的形成，焊接接頭的綜合性能得到優(yōu)化。王西昌等[9]采用活性焊接方法對GH4169合金薄板進(jìn)行電子束焊接成形的研究，結(jié)果表明，使用適當(dāng)?shù)幕钚詣@著優(yōu)化了焊縫表面成形，抑制了咬邊等缺陷的產(chǎn)生。文獻(xiàn)檢索結(jié)果表明，關(guān)于刷式密封結(jié)構(gòu)的GH4169 電子束焊接及焊后密封性能研究的報道甚少。

為了獲得優(yōu)越的發(fā)動機(jī)刷式密封結(jié)構(gòu)，需要獲得由GH4169及Haynes214刷絲組成的良好的焊接接頭，對于焊接接頭的研究主要包括電子束焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律，焊接接頭的微觀組織及顯微硬度狀況等。在獲得良好的密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行室溫和高溫密封性能測試，以驗證其密封性能是否達(dá)到設(shè)計要求，為刷式密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造及實現(xiàn)工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料及方法

焊接母材為4 mm厚的GH4169D合金，供貨狀態(tài)為固溶態(tài)，刷絲為Haynes214，冷拔態(tài)，直徑為0.07 mm，母材及刷絲的名義成分見表 1。刷式密封結(jié)構(gòu)由前、后擋板和夾在其間的細(xì)金屬絲束構(gòu)成，如圖1所示。將刷絲進(jìn)行纏繞之后用前后擋板壓緊，裝配間隙小于0.1 mm，焊接前將零件進(jìn)行超聲清洗+丙酮擦拭，以去除油污等，隨后進(jìn)行電子束焊接試驗研究。

圖1 刷式密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of brush sealing structure

首先，進(jìn)行焊接工藝優(yōu)化，主要探究焊接電流及焊接速度對焊縫成形及表面缺陷的影響，來確定合適的焊接工藝參數(shù)，焊接參數(shù)見表2。從焊接試件上截取接頭試樣，制作金相試樣，腐蝕液為CuCl2∶CH3OH∶HCl=1∶1∶2。采用金相顯微鏡Leica DMI5000M和掃描電鏡JSM–7900F觀察焊接接頭的微觀組織，采用Qness 60A+EVO 維氏硬度計對焊接接頭進(jìn)行微觀硬度測試，參數(shù)為加載力300 mg，加載時間15 s，測試點間距0.3 mm。其次，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)開展試樣的電子束焊接，為去除焊接應(yīng)力和調(diào)控焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行焊后熱處理，工藝為720℃，保溫8 h，620 ℃，保溫8 h，空冷。

表1 母材及刷絲Haynes214的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of base metal and brush wire Haynes214 (mass fraction) %

最后采用圖2所示的試驗裝置對刷式密封結(jié)構(gòu)件進(jìn)行靜態(tài)泄漏試驗，包括室溫靜態(tài)密封試驗和加溫靜態(tài)密封試驗，其中，壓力表在進(jìn)氣腔一周3個均布。表 3為靜態(tài)密封試驗方案，測量刷式密封組件的空氣泄漏量Q，加溫靜態(tài)泄漏試驗將進(jìn)氣溫度控制在規(guī)定的進(jìn)氣溫度后，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力測試規(guī)定溫度下的密封特性。

圖2 刷式密封結(jié)構(gòu)密封測試裝置Fig.2 Sealing test of brush sealing structure

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接工藝分析

為了獲得良好的焊接接頭，基于前期的基礎(chǔ)研究 （確保焊縫完全焊透），研究了不同焊接電流對焊接接頭成形的影響，如圖3所示。隨著焊接電流的增加，焊縫的熔寬逐漸增加，當(dāng)焊接電流超過11 mA時，熔寬呈近似線性增加。焊縫熔深呈現(xiàn)類似的規(guī)律，所不同的是在焊接電流小于13 mA時，熔深的增加較小，在焊接電流為15 mA時熔深急劇增大，這是因為高能束流沖擊匙孔，金屬的蒸發(fā)反作用及匙孔周圍表面張力使得熔池金屬液向熔池的寬度方向鋪展所致[10–11]。

圖3 不同焊接電流對焊接接頭成形的影響Fig.3 Effects of different welding currents on the forming of welded joints

進(jìn)一步優(yōu)化電子束焊接GH4169+Haynes214刷絲焊接工藝，固定其他參數(shù)不變，焊接電流為13 mA，聚焦電流為1980 mA，加速電壓為120 kV，探究焊接速度對焊縫成形的影響。如圖4所示，當(dāng)焊接速度v小于8 mm/s時，隨著焊接速度的減小，焊縫的熔寬逐漸增加；焊接速度v大于8 mm/s時，焊縫的熔深急劇減小，這表明焊縫的穿透能力顯著降低。當(dāng)焊接速度v大于7 mm/s時，焊縫的熔深呈線性規(guī)律減小。這種現(xiàn)象與電子束流、材料物化屬性和焊接工藝密切相關(guān)[12–13]。

圖4 不同焊接速度對焊接接頭成形的影響Fig.4 Effects of different welding speeds on the forming of welded joints

經(jīng)過工藝優(yōu)化后，在焊接電壓為120 kV，焊接速度為7 mm/s，聚焦電流為1980 mA，焊接電流為13 mA時，可以獲得焊道光滑、成形美觀、平整的焊縫，焊縫表面無飛濺及無裂紋等缺陷，如圖5（a）所示。圖5（b）為電子束焊接接頭的超聲檢測結(jié)果。檢驗結(jié)果表明，焊縫成形良好，內(nèi)部無氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。

圖5 焊后接頭及超聲檢測結(jié)果Fig.5 Welded joints and ultrasonic testing results

2.2 微組織分析

圖6為優(yōu)化后的GH4169+Haynes214焊接接頭的宏觀形貌特征，接頭主要包括焊縫、熱影響區(qū)和母材?？芍?，在電子束流的作用下，GH4169母材和Haynes214刷絲發(fā)生熔化形成焊接熔池。熔池的凝固結(jié)晶過程從熔池邊界開始，以聯(lián)生結(jié)晶的方式形成熔合線區(qū)域，從熔合線到焊縫是由平面結(jié)晶向胞狀晶和樹枝晶發(fā)展。焊縫區(qū)域是以競爭生長方式形成的柱狀晶形貌。焊縫內(nèi)不同微觀組織的形成主要受電子束焊接過程中的溫度梯度、焊縫的結(jié)晶速度和熔質(zhì)含量的共同影響[14]。

圖6 典型焊接接頭及焊縫微觀組織形成機(jī)制Fig.6 Typical welded joint and microstructure formation mechanism of the welded seam

在電子束焊接過程中，焊縫金屬經(jīng)歷了熔化–結(jié)晶–凝固的過程，母材及刷絲原有的γ''相、γ'相、碳化物等相[15]在熱循環(huán)的作用下熔化進(jìn)入熔池中，形成單一的γ相 （即Ni 的固溶體），焊縫在高能束流作用下冷卻速度快，溫度梯度大，形成橫向枝晶很短、主軸很長的樹枝狀晶，其主要是由γ相、γ'相和γ''相 （Ni3Nb）構(gòu)成，在枝晶間發(fā)生共晶反應(yīng)L→（γ+Laves），從而在短小的橫向枝晶間形成共晶組織 （γ+Laves）[15]，如圖7（a）和 （b）所示?；野咨钠瑺罱M織為γ奧氏體相，奧氏體片層之間為共晶成分凝固得到的奧氏體與Laves相混雜的共晶組織。由于其會影響焊接的力學(xué)性能，容易成為裂紋源，因此應(yīng)該被精準(zhǔn)調(diào)控。如圖7 （c）和（d）所示，在焊縫的熔合線區(qū)域可以看出基體晶粒為奧氏體的固溶體，未熔化的母材的碳化物在熱作用下發(fā)生了長大，在晶界上發(fā)生了團(tuán)聚，析出少量的Laves相及碳化物。焊接母材為GH4169，主要包含γ奧氏體基體、碳化物顆粒和Laves相，研究表明，奧氏體基體中彌散分布著γ''相（Ni3Nb）、γ'相 （Ni3（Al，Ti））及δ相，其對合金強(qiáng)韌性的提升發(fā)揮重要的作用[16]，如圖7（e）和（f）所示。

圖7 焊接接頭不同位置的微觀組織Fig.7 Microstructure at different regions of welding joints

2.3 XRD物相分析

圖8是GH4169+Haynes214焊接接頭焊縫區(qū)的XRD相組成分析。XRD圖譜中顯示，GH4169母材中的衍射峰主要包含γ相和γ'相不同晶面的衍射峰和γ''相衍射峰。而焊縫是以γ奧氏體基體、γ''相 （Ni3Nb）為主，以及包含少量的γ'相 （Ni3（Al，Ti））。γ'相的形成主要是由于焊接凝固階段焊縫熔池內(nèi)部高溫熔體的快速冷卻[15]。焊接接頭部位由于γ奧氏體基體、γ''相的衍射峰非常接近，產(chǎn)生共格錯配，對基體具有強(qiáng)化作用，致使焊接接頭微觀硬度和抗拉強(qiáng)度增加[12]。

圖8 焊接接頭焊縫區(qū)的XRD相組成分析圖譜Fig.8 XRD phase analysis spectrum of welded joint weld zone

2.4 硬度分析

圖9為GH4169+Haynes214焊接接頭的微觀硬度分布圖。圖 9（a）為接頭的橫向顯微硬度分布，母材GH4169顯微硬度值約為540HV，焊接接頭呈近似對稱分布 （以焊縫為中心），焊縫中心的硬度值最低，其平均值約為435HV。根據(jù)圖10所示EDS能譜分析結(jié)果可知，與熱影響區(qū)相比，焊縫區(qū)域的Ni和Al的含量高，在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫凝固形成單項固溶體，這是因為Haynes214與GH4169的合金元素發(fā)生混合，出現(xiàn)因成分起伏、能量起伏引起的微硬度差異。隨著與焊縫中心距離的增加，微觀硬度迅速增加，直到接近焊接母材微觀硬度。圖 9（b）為電子束焊接接頭的縱向顯微硬度分布，隨著與上焊接表面距離的增大，焊縫的顯微硬度先降低后增加，這主要是受到散熱條件的影響所致。

圖9 焊接接頭的微觀硬度分布Fig.9 Microhardness distribution of welded joints

圖10 EDS能譜線掃描位置及掃描結(jié)果Fig.10 EDS spectral line scanning position and scanning results

2.5 刷環(huán)密封性能

刷式密封結(jié)構(gòu)的密封性能優(yōu)劣主要是通過泄露量和泄漏率這兩個指標(biāo)來表征。泄漏率大，表明密封性能差；泄漏率小于規(guī)定參數(shù) （根據(jù)設(shè)計要求），表明密封性能優(yōu)越。影響泄漏率的主要因素包括壓力、溫度及密封結(jié)構(gòu)的直徑等，其中焊接質(zhì)量的優(yōu)劣對密封性能的影響屬于間接關(guān)系，一方面影響刷式密封的尺寸精度和位置精度，另一方面焊接結(jié)構(gòu)中如果存在裂紋和氣孔等焊接缺陷，將影響密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。為了驗證電子束焊接GH4169+Haynes214焊接接頭密封性能的優(yōu)越性，采用圖2所示的試驗裝置對焊接接頭進(jìn)行泄露試驗測試，獲得規(guī)定溫度和壓力條件下的刷式封裝置靜態(tài)泄漏特性。

圖11為刷式密封結(jié)構(gòu)的壓差–泄漏率關(guān)系圖，可以看出，常溫下泄漏率隨著壓差的增大而逐漸增大，滿足二次函數(shù)關(guān)系；在403 ℃高溫下，刷式密封結(jié)構(gòu)的泄漏率也是隨著壓差的增大而逐漸增大，同樣滿足二次函數(shù)關(guān)系。通過數(shù)據(jù)分析可知，常溫下的泄漏率大于高溫，且泄漏率均小于20 g/s，這充分體現(xiàn)了GH4169+Haynes214刷式密封結(jié)構(gòu)密封性能的優(yōu)越性。

試驗數(shù)據(jù)處理時，除了給出氣體的質(zhì)量泄漏率W，還給出泄漏流量系數(shù)φ2，其定義為

式中，W為質(zhì)量泄漏率，g/s；Tu為高壓側(cè)進(jìn)氣溫度，K；Pu為高壓側(cè)氣體壓力，MPa；Dj為密封跑道外徑，mm。

圖12為刷式密封結(jié)構(gòu)的壓差–泄漏系數(shù)φ2關(guān)系圖，可知，在低壓差時泄漏系數(shù)較小，隨著壓差升高泄漏系數(shù)穩(wěn)定在0.006附近，比預(yù)期泄漏系數(shù)0.007要小，符合預(yù)期泄漏特性設(shè)計目標(biāo)。當(dāng)加溫到403 ℃時，泄漏系數(shù)同樣在低壓差時較小，當(dāng)壓差低于0.06 MPa時，由于泄漏不到1 g/s，超出流量計最小量程，因此檢測不到泄漏數(shù)據(jù)，隨著壓差升高泄漏系數(shù)逐漸升高，最終穩(wěn)定在0.004左右。進(jìn)一步分析可知，在常溫 （20 ℃）和高溫（403 ℃）時，泄漏系數(shù)均是隨著壓差的增加而增大，其中擬合曲線方程分別為y（20 ℃）=0.004+0.0072x，y（403 ℃）=–0.004+0.0146x。這表明，刷式密封結(jié)構(gòu)符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)和溫升泄漏變小特性。

圖12 刷式密封結(jié)構(gòu)的壓差–泄漏系數(shù)φ2關(guān)系Fig.12 Pressure difference–leakage coefficient (φ2) relationship of brush seal structure

3 結(jié)論

（1）電子束焊接由GH4169+Haynes214組成的刷式密封結(jié)構(gòu)能夠獲得良好的焊縫成形，內(nèi)部無氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。

（2）樹枝狀晶的焊縫主要是由γ相、γ'相以及γ''相構(gòu)成，在短小的橫向枝晶間形成共晶組織（γ+Laves）。熔合線附近未熔化母材中的碳化物在熱循環(huán)下發(fā)生長大，在晶界上團(tuán)聚。

（3）焊縫中心區(qū)域Ni和Al的含量高，在熱循環(huán)作用下焊縫凝固時，Haynes214與GH4169的合金元素發(fā)生了混合，出現(xiàn)成分起伏、能量起伏引起的硬度差異。焊接接頭顯微硬度以焊縫為中心呈近似對稱分布，焊縫中心的硬度值最低，其平均值約為435HV。

（4） GH4169+Haynes214焊接構(gòu)成的刷式密封結(jié)構(gòu)的泄漏率與泄漏系數(shù)均隨壓差的增加而增大。常溫（20 ℃）和高溫（403 ℃）的泄漏率均小于20 g/s。泄漏系數(shù)在低壓時較小，但隨著壓力升高穩(wěn)定在0.006附近，小于預(yù)期泄漏系數(shù)0.007；當(dāng)加溫到403℃時，隨著壓力升高泄漏系數(shù)逐漸升高，最終穩(wěn)定在0.004左右。結(jié)果表明，該種刷式密封結(jié)構(gòu)符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)和溫升泄漏變小特性。