IC10合金TLP扩散焊技术

作者：中航工业北京航空制造工程研究所 侯金保 吴松等

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 航空科学技术的发展，促使航空发动机性能不断提高，具体体现在航空发动机朝高温、轻量化方向发展。目前用于制造航空发动机热端部件的高温合金无法满足高推比发动机耐温性能的要求，于是开展了Ni3Al基金属间化合物材料等新型高温材料的研究。由于Ni3Al金属间化合物原子的长程有序结构和原子间金属键及共价键共存[1]，使其具有熔点高、密度小、抗氧化性好和耐温强度高等特性，在高性能航空发动机中有很好的应用前景。 微量硼元素可显著提高Ni3Al的室温塑性，采用γ 相可使Ni3Al的强度和韧性同时提高，高熔点元素Mo、Co、W、Ta等可对γ相和γ′相起固溶强化作用[2-3]，现在研制出的Ni3Al基双相合金性能显著提高，达到了飞机发动机应用要求。如美国的NX-188、WAZ-20、IC163、IC164、IC72；俄罗斯的BKHA-4已用于武装直升机[4-5] ；我国研制的IC6合金用于某型发动机二级涡轮导向叶片，IC10合金将用于高推比发动机组联式涡轮导向叶片。本文针对Ni3Al基合金IC10进行过渡液相（Transient Liquid Phase ，TLP）扩散焊技术[6]研究，研制专用中间层，分析接头组织变化规律及其与接头强度的关系，实现TLP扩散焊技术在IC10合金导向叶片的工程应用。 试验材料及方法选择 1 试验材料 试验材料选用Ni3Al基合金IC10，并采用定向凝固方法铸造，IC10合金的名义化学成分如表1所示。铸态IC10合金主要由γ相及γ′相组成，在枝晶间的γ′相大多为0.1~0.3μm的立方体形和尺寸大于10μm的大块不规则形，枝晶干的γ′相尺寸为1~3μm的不规则形和0.1~0.3μm的立方体形，γ相呈网状分布于γ′周围，厚度约0.01~0.2μm，经1260±10℃/2h，油冷或空冷条件的均匀化处理后，枝晶间γ′相为0.3~0.5μm的立方体形，枝晶干的γ′相为1~3μm的立方体形，γ相呈网状分布于γ′相周围，即γ′+γ双相网状组织。均匀化处理后的IC10合金γ′相含量约70%~80%，γ相约20%~30%，以及少量硼化物和碳化物，其高温持久性能如表2所示。 2 试验方法选择 Ni3Al属于LI2型结构，有明显的室温脆性，即使采用B元素提高合金的室温塑性，采用γ相进行强韧化，Ni3Al合金的室温塑性和普通金属材料相比差距仍很大。国内外有关Ni3Al合金EBW、LBW、TIG等熔焊研究表明[7-9]，接头的熔化区和热影响区中容易出现凝固裂纹和应变时效裂纹，尽管采用工艺方法可以减少裂纹，但不能消除裂纹。这说明Ni3Al合金的熔焊性能很差，应采用Ni3Al基体不熔化的连接方法。 TLP扩散焊[6]是结合钎焊和固相扩散焊二者优点形成的新型连接方法，其原理是将与基体材料相匹配的中间层合金置于连接面，在连接温度下中间层形成液相填充连接间隙，由于原子的扩散，液相对母材有适量溶解，然后液相凝固，获得和母材相近的组织，再进行扩散处理，使接头成分、组织和母材相近，得到高性能的连接接头。国外采用TLP扩散焊技术制造F119发动机的单晶对开叶片和MA956合金多孔层板结构等。该技术已广泛用于镍基、铁基、钴基及氧化物弥散强化高温合金的连接。对Ni3Al基合金IC10采用TLP扩散焊接技术，研制与IC10相匹配的中间层合金，进行连接试验，分析接头组织、力学性能，优化连接工艺和中间层合金。 试样制备和TLP焊工艺试验 1 试样制备 Ni3Al基合金IC10硬度高，普通刀具难以加工，原材料有板材和棒材两种形式，用线切割和磨削方法将原材料加工成焊前试样；采用储能点焊方法将待焊试样用高温合金片固定，用0.04mm厚的金属片支撑焊接面两侧以控制焊缝间隙，焊接面周围添加粉末中间层焊料；TLP扩散焊后再按GB/T4338 2006标准测试高温拉伸性能，按GB/T2039 1997标准测试高温持久性能。 2 TLP扩散焊工艺试验 制备的试样焊前用超声波清洗，烘干后用丙酮擦净待焊面，将调制好的膏状中间层置于焊接面，装HBF80真空炉中，分别进行1240℃不同保温时间的TLP连接工艺试验。采用的中间层合金为本试验针对Ni3Al基合金TLP扩散焊研制的KNi3A镍基中间层（图1）。 TLP扩散焊试验与分析 对不同保温时间的TLP连接工艺焊接的IC10合金试样，用JENAPHOT-2000型光学显微镜、JSW-840型扫描电镜和TN-5500型能谱仪分析接头组织、成分和线扫描元素扩散程度。 1 保温时间对IC10合金TLP连接接头组织影响分析 采用KNi3A中间层、1240℃±10℃、不同保温时间连接对该组织的IC10合金接头组织（图2）。保温4h后，焊接接头已等温凝固，接头组织由γ相基体、大块状γ′相、块状硼化物及少量碳化物组成；保温10h后，大块状γ′相、块状硼化物及少量碳化物等变成细小颗粒状均匀分布于γ相基体中，接头组织与被焊基体相近，焊接面与基体没有可见界面。这说明IC10合金TLP扩散焊保温10h的工艺能达到获得与基体相近接头的目的，其接头组织与基体组织的连续性好，对提高接头高温力学性能有利。 2 IC10合金TLP扩散焊接头强度 通过采用KNi3A中间层、1240℃±10℃保温10h炉冷工艺焊接IC10合金，焊接接头组织如图3所示。强度试样分别按标准加工后测试高温拉伸、高温持久性能，测试结果如表3、表4所示，IC10纵向焊接试样982℃、128MPa应力的持久时间超过120h，即高温持久强度接近基体强度（165MPa）的77%以上；横向焊接试样980℃、100MPa应力的持久时间超过120h，即高温持久强度达到基体强度（120MPa）的83%以上。 3 TLP扩散焊后固溶处理对接头强度的影响 IC10合金TLP扩散焊接后再进行1260℃固溶处理，通过热处理恢复基体材料组织性能，以减小焊接过程对基体材料组织性能的影响。强度试样分别按标准加工后测试高温拉伸和高温持久性能，测试结果如表5、表6所示。可以看出，纵向焊接试样1000℃高温抗拉强度达到基体的89%以上，横向焊接试样抗拉强度达到基体的91%以上。纵向焊接试样980℃、144MPa应力的持久时间达到97.5h以上，即纵向焊接试样980℃、100h持久强度接近基体强度的87%；横向焊接试样980℃、120MPa应力的持久时间达到120h以上，即横向焊接试样980℃、100h持久强度和基体强度相等。 4 拉伸试样断口分析 拉断试样的断口形貌，如图4所示。高温拉断试样断口宏观上较平整，起伏不大；细观上具有柱状韧窝特征，与定向凝固高温合金断口形貌相同，也与IC10合金定向凝固组织相对应，微观上都是典型韧窝形貌。 结束语 （1）TLP扩散焊能实现IC10合金的有效连接，获得组织与基体相近的焊接接头。 （2）研制了Ni3Al基合金IC10TLP扩散焊用中间层合金KNi3A，焊接接头980℃持久强度达到128MPa。 （3）TLP扩散焊后再进行固溶处理，可提高基体材料和焊接接头强度，纵向焊接接头强度提高到144MPa，横向焊接接头强度提高到120MPa。(end)

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