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IC10和GH3039高温合金的真空钎焊

查看：1010 　发稿日期：2016-01-13 19:15:27

Ni3Al金属间化合物由于具有熔点较高、比重较轻、高温性能及抗氧化性能等优点，是理想航空发动机叶片用材料。继研制成功综合性能好、成分简单、成本低廉的定向凝固Ni3Al基高温合金IC6，并用于航空发动机二级导向叶片[1]后，为了适应更先进航空发动机叶片的特殊需求，即在保持合金具有一定的力学性能情况下，进一步提高合金的抗氧化、抗腐蚀及热疲劳抗力，北京航空材料研究院目前又在研制定向凝固Ni3Al基高温合金IC10，并拟用于某型号先进发动机导向叶片[2]。IC10合金导向叶片的制造涉及IC10与GH3039异种高温合金的钎焊，同时IC10合金叶片的钎焊连接面为铸造表面，无法保证均匀一致的钎焊间隙。因此本文对IC10与GH3039高温合金的真空钎焊及大间隙钎焊工艺进行了研究。

    1 试验用材料、方法及设备

     试验用母材为IC10和GH3039高温合金。IC10为北京航空材料研究院在研的定向凝固Ni3Al基高温合金，试验用料为铸造厚板，采用机加工的方法加工成1.5mm厚的试板。GH3039为单相奥氏体型固溶强化合金，其化学成分为（wt%）：19.0～22.0 Cr，1.80～2.30 Mo，0.35～0.75 Al，0.35～0.75 Ti，0.90～1.30 Nb，≤0.08 C，≤3.0 Fe，≤0.40 Mn，≤0.80Si，余Ni [3]。表1列出了900℃下GH3039合金典型的性能数据，试验用料为1.5mm厚的冷轧板。试验用钎料是自行研制的Co50NiCrWB，其熔点为1087～1149℃，使用形式为-150目的粉末。

    大间隙钎焊用高温合金粉末为-190+300目的Rene’95粉，其化学成分见表2。金相试样与性能试样均采用对接接头形式，钎焊接头间隙分别为0.1mm和0.5mm，大间隙（0.5mm）接头中预填Rene’95高温合金粉末。采用МИМ-8光学显微镜、JSM-5600LV扫描电镜和LINK ISIS 300能谱仪对钎焊接头组织进行了分析。测试了钎焊接头在900℃下的拉伸性能和持久性能。

    钎焊试验ZM-454双室真空炉中进行，钎焊时的真空度不低于5×10^-2Pa。钎焊规范为1180℃/30min。

2 试验结果及讨论

2.1钎焊接头的组织
     GH3039+IC10钎焊接头（间隙0.1mm）的组织。光学显微镜下，在钎焊缝的固溶体基体与GH3039母材之间已无明显的界限，在钎焊缝的固溶体基体上骨骼状硼化物相呈连续分布，。扫描电镜下可以更清楚地看到，钎焊缝中除了连续分布的骨骼状硼化物相外，还有少量的小黑块相。从中可以看出，靠近两种母材的钎焊缝基体，其成分大致相同，均是以Ni为基的固溶体。呈连续分布的骨骼状灰色相则是富Cr的硼化物相。小黑块相主要含Ti和N，可能为氮化钛。图2和图3分别为GH3039+IC10大间隙（0.5mm）钎焊接头的光学显微镜照片和背散射电子像。与正常间隙钎焊接头一样，在光学显微镜下，在钎焊缝与GH3039母材之间也无明显的界限，Rene＇95高温合金粉颗粒间的焊缝为固溶体基体上分布大量的骨骼状硼化物相。在扫描电镜下可更清楚地看到，这些骨骼状的硼化物相分为白色骨骼相和灰色骨骼相两种，此外在焊缝中还有一些灰色块状硼化物）。可见，白色骨骼相（1）为富W的硼化物相，而灰色骨骼相（4）与灰块相（3）成分相同，为富Cr的硼化物相。此外，Rene＇95粉颗粒间的焊缝基体为Ni-Co基的固溶体。上述试验结果表明，GH3039+IC10大间隙钎焊接头组织的组成较正常间隙钎焊接头更复杂。 2.2钎焊接头的高温拉伸强度和持久性能

      采用N300B钎料、1180℃/30min规范钎焊了正常间隙（0.1mm）和大间隙（0.5mm，预填Rene＇95高温合金粉）的GH3039+IC10性能试样，测定了钎焊接头900℃的拉伸性能和持久性能，结果见表5和表6。从表5可以看出，正常间隙和大间隙的GH3039+IC10钎焊接头900℃的拉伸强度均超过GH3039母材的性能指标要求（即161MPa），且除一个试样（903#）断裂在钎焊接头外，其它试样都断裂在GH3039母材上。从表6可以看出，在900℃，40MPa应力水平下，正常间隙和大间隙的GH3039+IC10钎焊接头的持久寿命均远远超过100h，且断裂全部发生在GH3039母材上。以上力学性能试验结果说明，正常间隙和大间隙的GH3039+IC10钎焊接头在900℃的拉伸强度和持久性能均超过了GH3039母材相应的性能指标要求。

3 结论

（1）采用Co50NiCrWB钎料可实现IC10与GH3039高温合金的真空钎焊。

（2）在钎焊接头间隙中预填Rene’95高温合金粉末，再采用Co50NiCrWB钎料钎焊，可获得致密完整的IC10+GH3039高温合金大间隙钎焊接头。

（3）采用本文工艺所获得的IC10+GH3039高温合金钎焊接头和大间隙钎焊接头，高温性能良好，900℃下的拉伸强度和持久性能均超过GH3039母材性能指标，断裂发生在GH3039母材上。