航空發(fā)動(dòng)機(jī)GH3230高溫合金層板結(jié)構(gòu)TLP擴(kuò)散焊接制備及力學(xué)性能研究*

曲文卿，張斯涵，呂彥龍，，滕俊飛，汪 淼，楊文靜，莊鴻壽

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心高溫部件（如燃燒室火焰筒、加力燃燒室隔熱屏、內(nèi)錐體和尾噴管等）長(zhǎng)期承受高溫燃?xì)鉀_刷腐蝕，需要具有優(yōu)異的耐高溫和高溫力學(xué)性能。隨著高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)需求的不斷提高，單純耐高溫材料的性能提升已經(jīng)不能滿足要求，需要部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)提高冷卻空氣對(duì)核心高溫部件的冷卻效率[1–4]。多孔層板冷卻結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的內(nèi)部通道供冷卻空氣流動(dòng)，在板表面形成氣膜，避免與高溫氣體直接接觸，如圖1 所示，能夠同時(shí)完成氣膜冷卻、沖擊冷卻和對(duì)流冷卻，冷卻效率可以達(dá)到0.8 以上[5–6]，顯著高于當(dāng)前其他發(fā)動(dòng)機(jī)壁板冷卻結(jié)構(gòu)。多孔層板冷卻結(jié)構(gòu)是由兩塊厚度為1～2 mm 的，具有密排孔、柱陣列特征的薄板 （稱(chēng)之為沖擊板和發(fā)散板）連接而成，由圖1 可知，沖擊板和發(fā)散板表面密布眾多尺寸很小的氣膜孔，用于冷卻空氣流動(dòng)；發(fā)散板上有眾多尺寸很小的柱型結(jié)構(gòu)，通過(guò)柱形結(jié)構(gòu)與沖擊板結(jié)合在一起形成多孔層板冷卻結(jié)構(gòu)。

圖1 多孔層板冷卻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of porous laminate cooling structure

層板結(jié)構(gòu)特征決定了釬焊和擴(kuò)散焊是較為可行的連接方案，發(fā)散板柱形結(jié)構(gòu)與沖擊板之間的結(jié)合焊縫很難獲得與基體材料相同或類(lèi)似的微觀組織，性能無(wú)法與基體材料相同，因而成為多孔層板冷卻結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)[7]。過(guò)渡液相 （Transient liquid phase，TLP）擴(kuò)散連接結(jié)合了釬焊與擴(kuò)散焊的綜合優(yōu)勢(shì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的孔柱陣列特征結(jié)構(gòu)的高精度焊接，還可以通過(guò)擴(kuò)散過(guò)程形成與母材相同或類(lèi)似焊縫組織，優(yōu)異的焊縫質(zhì)量將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的整體制造和安全服役起到?jīng)Q定性的作用。國(guó)內(nèi)外針對(duì)高溫合金TLP 擴(kuò)散焊開(kāi)展了大量研究工作，如Tarai等[8]使用粉末中間層對(duì)IN718 合金進(jìn)行了TLP 擴(kuò)散焊，焊縫組織中存在多種未完全溶解的次生相和孔洞，硬度低于母材。Duvall 等[9]在1121℃保溫16 h 條件下TLP 擴(kuò)散焊接了Haselloy X 固溶強(qiáng)化合金，接頭在高溫 （871 ℃）的拉伸強(qiáng)度和延伸率均不低于母材。美國(guó)P&W 公司研制了與母材PWA1480 單晶合金成分接近的中間層在1232 ℃保溫24 h 條件下TLP擴(kuò)散焊，焊后經(jīng)固溶和時(shí)效處理，接頭在高溫 （982 ℃）條件下的持久強(qiáng)度和等溫低周疲勞性能與PWA1480母材相當(dāng)[10]。侯金保等[11]使用自主研制的KNi3A 中間層在1240 ℃保溫10 h 對(duì)IC10 合金進(jìn)行了TLP 擴(kuò)散焊，焊后1260 ℃固溶處理，1000 ℃高溫性能測(cè)試，橫、縱向抗拉強(qiáng)度均超過(guò)母材的89%以上。

本研究針對(duì)一種新型的鎳基高溫合金GH3230 航空發(fā)動(dòng)機(jī)層板冷卻結(jié)構(gòu)采用了自主研制的鎳基中間層進(jìn)行了TLP 擴(kuò)散焊接，對(duì)結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量、模擬件的微觀組織和室/高溫力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)觀察與測(cè)試。研究結(jié)果對(duì)GH3230 高溫合金多孔層板冷卻結(jié)構(gòu)的TLP 擴(kuò)散焊，以及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工程應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

本研究采用的GH3230 高溫合金是一種以 W、Mo 作為固溶強(qiáng)化和以碳化物作為第二相強(qiáng)化的鎳基高溫合金，W+Mo+Cr 元素總含量超過(guò)35%，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、蠕變性能、抗疲勞、抗腐蝕和抗高溫氧化性能，在氧化氣氛下長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)到1150 ℃，是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件用重要材料。GH3230 鎳基高溫合金具體成分如表1 所示。

表1 GH3230 高溫合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Compositions of GH3230 superalloy (mass fraction) %

中間層材料是自主研制的Ni 基中間層KNiCr–5，主要成分包含抗氧化耐高溫合金元素，如Cr、Co、W 等，以及降熔元素B 等。采用真空熔煉+氬氣保護(hù)的單輥急冷法制備成箔帶狀非晶態(tài)，厚度0.025～0.035 mm，熔化溫度1050～1100 ℃，如圖2 所示。

圖2 KNiCr–5 非晶態(tài)鎳基中間層Fig.2 KNiCr–5 nickel base interlayer amorphous foil

GH3230 高溫合金層板模擬結(jié)構(gòu)采用照相電解工藝將GH3230 平板制備出圖3 所示的發(fā)散板，整體尺寸為125 mm×125 mm；其中每一個(gè)四方塊上面有梅花狀圖案，為制備的5 個(gè)柱形結(jié)構(gòu)，每個(gè)正方塊尺寸為10 mm×10 mm；整個(gè)層板上面有100個(gè)四方塊，即500 個(gè)圓柱代表層板的擾流柱；然后與沖擊板 （平板）組合在一起進(jìn)行TLP 擴(kuò)散焊。根據(jù)前期工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究[12]，采用TLP 擴(kuò)散焊最佳工藝規(guī)范：焊接溫度1200℃，與GH3230 高溫合金固溶處理溫度相同；保溫時(shí)間4 h；焊態(tài)真空度為1×10–3～3×10–3Pa。

圖3 照相電解工藝制備的GH3230高溫合金發(fā)散板模擬件Fig.3 GH3230 superalloy divergent plate structure prepared by photographic electrochemical machining process

由于層板結(jié)構(gòu)厚度很小，無(wú)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能測(cè)試。為了準(zhǔn)確地評(píng)估層板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了3種類(lèi)型的力學(xué)性能測(cè)試試樣。

（1）板柱結(jié)構(gòu)焊接拉伸試樣。

模擬層板密排板柱焊接結(jié)構(gòu)樣式，采用兩塊四方棒材對(duì)接試件，四方棒材尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，其中一個(gè)棒材端面加工成平面，模擬層板結(jié)構(gòu)的沖擊板；另一個(gè)棒材端面加工成圖4（a）所示的帶有四方柱形結(jié)構(gòu)的表面，模擬層板結(jié)構(gòu)的帶擾流柱的發(fā)散板，20 mm×20 mm 的表面上分為4 組密排方柱結(jié)構(gòu)，每組均有5 個(gè)1 mm×1 mm 方柱形結(jié)構(gòu)，高度與層板擾流柱高度相同，均為0.5 mm，與另一個(gè)平面棒材表面對(duì)接形成板柱對(duì)接結(jié)構(gòu)，與非晶態(tài)中間層裝配后如圖4（b）所示，將4 組對(duì)接板柱模擬結(jié)構(gòu)拉伸試件裝配到圖4（c）所示的工裝，放入真空爐中進(jìn)行TLP 擴(kuò)散焊，焊后取出；焊接成功的結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D4（b）所示將表面十字線切割為4 個(gè)圖4（d）所示的拉伸試樣。該拉伸試樣同樣不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)方法的要求，但是能比較精確地模擬出層板焊接接頭的拉伸性能，除試樣形式不符合國(guó)標(biāo)要求外，試驗(yàn)設(shè)備與方法均按照《GB/T 228.1—2010 金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》和《GB/T 228.2—2015 金屬材料拉伸試驗(yàn) 第2 部分：高溫試驗(yàn)方法》對(duì)GH3230 高溫合金層板板柱焊接結(jié)構(gòu)和GH3230 高溫合金棒材分別進(jìn)行室溫和高溫拉伸性能測(cè)試。

（2）GH3230 高溫合金棒材對(duì)接焊縫拉伸試樣。

為把握焊縫拉伸性能，設(shè)計(jì)了Φ10 mm×20 mm 棒材對(duì)接結(jié)構(gòu)，焊后加工成圖5 所示的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。

圖5 GH3230 高溫合金TLP 擴(kuò)散對(duì)接焊縫拉伸試樣Fig.5 GH3230 superalloy TLP diffusion butt weld tensile specimens

（3）GH3230 高溫合金薄板焊接彎曲試樣。

層板后續(xù)需要進(jìn)行高溫蠕變時(shí)效加工成彎曲形狀，以用來(lái)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒等環(huán)形結(jié)構(gòu)，需要準(zhǔn)確評(píng)估GH3230 高溫合金層板焊縫的塑性。本研究參照《GB/T 232—2010 金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》對(duì)焊后GH3230 高溫合金薄板彎曲強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試采用厚度為1 mm 的GH3230 高溫合金薄板 （10 mm×40 mm）搭接焊在一起，焊后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將焊縫整體彎曲為90°，然后觀察焊縫是否開(kāi)裂或出現(xiàn)裂紋，來(lái)考核GH3230 高溫合金層板焊縫彎曲性能。

GH3230 高溫合金層板結(jié)構(gòu)模擬件TLP 擴(kuò)散焊質(zhì)量采用相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行。力學(xué)性能進(jìn)行了室溫和高溫 （950 ℃）拉伸力學(xué)測(cè)試和薄板三點(diǎn)彎曲90°試驗(yàn)。

針對(duì)層板模擬件焊縫、GH3230高溫合金薄板焊縫和薄板彎曲后的焊縫進(jìn)行了微觀組織觀察與分析，焊縫試樣表面采用腐蝕液（10 mL HCl + 2 g CuSO4·5H2O + 10 mL H2O）腐蝕5～6 s，然后采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察，采用EDX 和EMPA 進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 GH3230 高溫合金層板模擬件焊接質(zhì)量與缺陷

采用相控陣超聲技術(shù)對(duì)GH3230高溫合金層板模擬結(jié)構(gòu)TLP 擴(kuò)散焊縫質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。圖6 給出了GH3230 高溫合金層板模擬結(jié)構(gòu)TLP 擴(kuò)散焊縫質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果（黑色表明焊接完好），可知，層板結(jié)構(gòu)所有柱形結(jié)構(gòu) （擾流柱）與底板（沖擊板）焊接完好，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，未出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)以上擾流柱未焊合現(xiàn)象，表明GH3230 高溫合金層板模擬結(jié)構(gòu)的整體焊合率不低于95%。

圖6 GH3230 高溫合金TLP 擴(kuò)散焊縫超聲檢測(cè)照片F(xiàn)ig.6 Ultrasonic detecting photo of GH3230 superalloy laminate TLP diffusion weld seam

2.2 GH3230 高溫合金板柱結(jié)構(gòu)模擬件拉伸性能

圖7 給出了GH3230 高溫合金板柱結(jié)構(gòu)模擬拉伸件室溫拉伸之后斷裂的表面形貌，可以清晰地看到，拉伸斷裂試樣的兩側(cè)表面上都存在方柱，焊縫一側(cè)原來(lái)沒(méi)有方柱的表面上也存在方柱，說(shuō)明斷裂發(fā)生在方柱（母材）中央，而沒(méi)有斷裂在焊縫位置上，焊縫室溫強(qiáng)度達(dá)到與母材等強(qiáng)。

圖7 GH3230 高溫合金板柱結(jié)構(gòu)焊縫拉伸斷裂形貌（室溫）Fig.7 Fracture morphology of GH3230 superalloy laminate welded structure after tensile test (room temperature)

GH3230 高溫合金方柱母材室溫拉伸強(qiáng)度平均值為849 MPa（846 MPa、844 MPa、856 MPa），950 ℃ 高溫拉伸強(qiáng)度平均值為212 MPa（200 MPa、251 MPa、185 MPa）。GH3230高溫合金板柱結(jié)構(gòu)拉伸模擬件室溫拉伸強(qiáng)度平均值為971 MPa（1019 MPa、903 MPa、992 MPa），室溫拉伸強(qiáng)度明顯高于相同GH3230 高溫合金方柱的母材強(qiáng)度。GH3230 高溫合金板柱結(jié)構(gòu)拉伸模擬件950 ℃高溫拉伸強(qiáng)度平均值為246 MPa（174 MPa、264 MPa、300 MPa），高溫拉伸強(qiáng)度同樣高于GH3230 高溫合金方柱的母材高溫強(qiáng)度。圖8 給出了GH3230 高溫合金板柱結(jié)構(gòu)模擬件焊接接頭室溫/高溫拉伸強(qiáng)度對(duì)比，清楚看到層板焊縫性能優(yōu)于基體材料。

圖8 GH3230 高溫合金層板焊接結(jié)構(gòu)與基體材料 （母材）拉伸強(qiáng)度對(duì)比Fig.8 Tensile strength contrast of GH3230 superalloy laminate welded structure and base metal

2.3 GH3230 高溫合金棒材對(duì)接焊縫室/高溫拉伸性能

GH3230 高溫合金棒材對(duì)接焊縫室溫和950 ℃高溫拉伸斷裂后的試件如圖9 所示。可以看出，GH3230高溫合金棒材TLP 擴(kuò)散焊接為完整的棒材結(jié)構(gòu)，機(jī)械加工為圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，無(wú)論是室溫還是950 ℃高溫條件下拉伸，斷裂均發(fā)生在遠(yuǎn)離TLP擴(kuò)散焊縫的GH3230 高溫合金基體材料上，充分說(shuō)明TLP 擴(kuò)散焊縫的室溫/高溫拉伸性能優(yōu)于GH3230 高溫合金基體；另外中間拉伸段發(fā)生明顯的塑性變形，尤其是斷裂位置發(fā)生顯著的頸縮，TLP 擴(kuò)散焊縫位置未出現(xiàn)變形不均勻的現(xiàn)象，說(shuō)明TLP 擴(kuò)散焊縫具備了與基體材料相類(lèi)似的塑性。

圖9 GH3230 高溫合金棒材對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)室溫和高溫拉伸斷裂試樣Fig.9 Fractured samples of GH3230 superalloy butt welded structures after room temperature/high temperature tensile tests

圖10給出了GH3230 高溫合金棒材對(duì)接TLP 擴(kuò)散焊接頭室溫/高溫拉伸強(qiáng)度對(duì)比，可以清楚看到層板焊縫性能優(yōu)于基體材料。GH3230高溫合金棒材拉伸模擬件室溫拉伸強(qiáng)度平均值為899 MPa（902 MPa、908 MPa、887 MPa），室溫拉伸強(qiáng)度明顯高于相同GH3230 高溫合金方柱的母材強(qiáng)度 （849 MPa）。GH3230高溫合金棒材拉伸模擬件950 ℃高溫拉伸強(qiáng)度平均值為213 MPa（206 MPa、212 MPa、220 MPa），高溫拉伸強(qiáng)度與GH3230 方柱的母材高溫強(qiáng)度基本相同。此外高溫拉伸延伸率超過(guò)了52%，說(shuō)明整體接頭具有優(yōu)異的高溫塑性。

圖10 GH3230 高溫合金焊接接頭和基體材料拉伸強(qiáng)度對(duì)比Fig.10 Tensile strength contrast of GH3230 superalloy welded joint and base metal

2.4 GH3230 高溫合金薄板焊縫彎曲性能

圖11為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后GH3230高溫合金薄板焊縫試樣照片，可以清楚看到，GH3230 高溫合金薄板焊縫通過(guò)三點(diǎn)彎曲成90°之后，整體焊縫依然結(jié)合良好，未發(fā)生任何開(kāi)裂現(xiàn)象，整體呈現(xiàn)了優(yōu)異的彎曲塑性。

圖11 GH3230 高溫合金薄板焊縫90°彎曲后試樣Fig.11 GH3230 superalloy thin plate weld seam after 90° bending test

圖12 給出了彎曲90°的焊縫截面微觀組織照片，可以看到，GH3230高溫合金薄板TLP 擴(kuò)散焊縫從微觀上也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何裂紋存在，從微觀上證明了焊縫具有優(yōu)異的塑性，能夠承受后續(xù)彎曲加工。

圖12 GH3230 高溫合金薄板焊縫90°彎曲后試樣截面微觀組織Fig.12 Microstructure of the cross-section of GH3230 superalloy thin plate weld after 90° bending

2.5 GH3230 高溫合金TLP 擴(kuò)散焊縫微觀組織

圖13給出了GH3230 高溫合金在1200 ℃保溫4 h 進(jìn)行TLP 擴(kuò)散焊所獲得的焊縫微觀組織?？梢悦黠@看出，在1200 ℃保溫4 h 的工藝條件下，采用KNiCr–5 鎳基中間層TLP 擴(kuò)散焊接GH3230 高溫合金，焊縫區(qū)域經(jīng)過(guò)等溫凝固后形成了均勻無(wú)缺陷的固溶體組織，焊縫寬度均勻一致，由兩側(cè)母材界面開(kāi)始等溫凝固的晶粒最后完全形成了一個(gè)完整的焊縫晶粒，并且與基體結(jié)合良好，無(wú)任何缺陷存在；基體中析出的強(qiáng)化相在焊縫區(qū)晶粒較少存在，大多聚集在焊縫附近區(qū)域。

圖13 GH3230 高溫合金TLP 擴(kuò)散焊縫區(qū)域微觀組織（1200 ℃）Fig.13 Microstructure of GH3230 superalloy TLP diffusion weld seam zone (1200 ℃)

為了分析GH3230 高溫合金TLP擴(kuò)散焊接頭區(qū)域組織成分與基體材料的差異，給出了GH3230 高溫合金TLP擴(kuò)散焊接頭沿圖14（a）中所示紅線的各元素分布情況，由圖14（b）可以看到，除了Co 元素以外，所有元素的線分布比較均勻，說(shuō)明焊縫中元素分布與基體材料基本上沒(méi)有什么差異，但是由于KNiCr–5 鎳基中間層材料中Co 含量較高，且Co 元素向基體中擴(kuò)散的速度較緩慢，在焊縫區(qū)域存在一個(gè)坡?tīng)钔黄?，焊縫Co 含量較高也能有效提升焊縫的耐溫性能。

圖14 GH3230 高溫合金TLP 擴(kuò)散焊縫區(qū)域主要合金元素分布Fig.14 Main alloy elements profiles in GH3230 superalloy TLP diffusion weld seam area

與GH3230 高溫合金母材組織和成分基本相同的焊縫晶粒組織保證了焊縫不僅具有與母材強(qiáng)度和塑性一致的力學(xué)性能，而且由于焊縫和母材的組織成分相同，還保證了結(jié)構(gòu)承受高溫載荷時(shí)焊縫傳熱性能和GH3230 高溫合金母材基本相同，因而避免了焊縫成為整個(gè)層板結(jié)構(gòu)傳熱和受力的薄弱環(huán)節(jié)。

3 結(jié)論

采用自主研制的KNiCr–5 鎳基中間層在1200 ℃保溫4 h 的最佳工藝條件下對(duì)GH3230 高溫合金層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了TLP 擴(kuò)散焊。經(jīng)相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，層板結(jié)構(gòu)所有柱形結(jié)構(gòu) （擾流柱）與底板 （沖擊板）焊接完好，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，未出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)以上擾流柱未焊合現(xiàn)象，表明GH3230 高溫合金層板模擬結(jié)構(gòu)整體焊合率不低于95%。微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫形成了均勻的固溶體組織，無(wú)任何化合物相和孔洞缺陷的存在，保證了結(jié)構(gòu)承受高溫載荷時(shí)，焊縫也能達(dá)到GH3230 高溫合金母材的傳熱性能，避免了焊縫成為整個(gè)層板結(jié)構(gòu)傳熱薄弱環(huán)節(jié)。

對(duì)板柱結(jié)構(gòu)模擬件和GH3230高溫合金棒材對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行室溫和高溫拉伸測(cè)試，結(jié)果表明，所有的拉伸全部斷裂在GH3230 高溫合金基體材料上，焊縫強(qiáng)度平均值均明顯高于GH3230 高溫合金基體性能。高溫拉伸斷裂試件的延伸率高達(dá)52%，GH3230 高溫合金薄板焊縫90°三點(diǎn)彎曲后無(wú)開(kāi)裂，微觀觀察無(wú)裂紋等缺陷，表明焊縫具有優(yōu)異塑性。