K465镍基铸造高温合金钎焊及其在修复中的应用

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摘要：摘要：介绍了目前4种K465镍基铸造高温合金钎焊技术及其在修复中的应用。对于常规钎焊间隙，采用Co45NiCrWB、BNi82CrSiB、BNi57NbCoWCrAlSiMo和BNi73CrSiB-40Ni钎料皆适合钎焊K465高温合金，其中Co45NiCrWB钎料的钎焊接头性能最好;采用真空电弧钎焊方法和B-Ni

　　摘要：介绍了目前4种K465镍基铸造高温合金钎焊技术及其在修复中的应用。对于常规钎焊间隙，采用Co45NiCrWB、BNi82CrSiB、BNi57NbCoWCrAlSiMo和BNi73CrSiB-40Ni钎料皆适合钎焊K465高温合金，其中Co45NiCrWB钎料的钎焊接头性能最好;采用真空电弧钎焊方法和B-Ni65CoCrWBMoAlNb钎料，可实现K465合金与耐磨合金B-2合金的连接，钎焊缝连续、致密、无裂纹等未焊合缺陷，叶片组织未见晶粒长大现象;采用FGH95镍基合金粉为预填高熔点粉末的方法可实现0.5 mm大间隙的K465合金钎焊;真空电子束钎焊作为一种高质量、高效率、精确控制的制造技术，对各种精密、复杂部件连接制造具有非常重要的意义。

　　关键词：K465镍基高温合金;钎焊;真空电弧钎焊;大间隙钎焊;真空电子束钎焊

　　0 前言

　　K465合金是一种合金化程度很高的镍基铸造高温合金，其主要合金元素含量如表1所示。该合金的热强性及承温能力较强、高温抗氧化性能较好，主要用于制作工作温度低于1 050 ℃的发动机涡轮工作叶片和导向叶片[1-4]，如Д-30发动机的涡轮工作叶片为K465合金材料，工作叶片共有6级、每级叶片80～84件。Д-30发动机的K465合金涡轮工作叶片如图1所示。叶片的制造过程中常涉及到钎焊技术。此外，在发动机使用过程中，由于磨损、冲击、高温燃气和冷热疲劳等作用，叶片表面容易产生裂纹、腐蚀和磨损等缺陷，致使大量叶片报废。因此，工作叶片等热端部件往往是发动机的薄弱环节。采用先进修复技术对存在缺陷尤其是表面裂纹缺陷的涡轮叶片进行修复，可延长叶片使用寿命、减少叶片的更换，获得可观的经济收益。国内外已开展了叶片修复技术的基础理论和工程化应用研究。常见叶片修复技术包括熔焊、等离子焊、激光焊、固相扩散焊、钎焊及大间隙钎焊等，但主要采用的是钎焊工艺方法。

　　1 K465铸造高温合金的钎焊

　　钎焊技术是发动机涡轮叶片生产和修复的关键技术。高温合金钎焊包括常规间隙(0～0.15 mm)钎焊和大间隙(>0.15 mm)钎焊。常规钎焊直接采用钴基或镍基钎料进行钎焊连接，由于钎料中含有B、Si等元素，钎缝中硼化物或硅化物等硬度较高的化合物相成为接头性能的薄弱环节[4-6]。化合物相的数量及形态对接头性能有较大影响，通过钎焊后扩散处理，使降熔元素B等扩散至母材，从而减少了化合物相，可提高接头性能[7-8]。此外，高温长时间扩散可以消除脆性化合物相，获得性能接近K465母材的等温凝固接头。当钎焊间隙略大时，采用熔化温度区间较大的钎料也可以实现连接，但接头脆性化合物相数量多、接头性能不佳。当间隙较大时(如0.5 mm)，熔化钎料对间隙部位的毛细作用不再存在，需采用大间隙钎焊方法进行连接。

　　中国航发北京航空材料研究院(以下简称航材院)采用BNi57NbCoWCrAlSiMo(俄ВПр24)和Co45NiCrWB在1 220 ℃/15 min规范下钎焊K465合金，并在焊后进行固溶处理，BNi57NbCoWCrAlSiMo钎料钎焊接头室温拉伸强度为862 MPa，975 ℃持久强度达到母材性能指标的40%;Co45NiCrWB钎料钎焊接头室温拉伸强度为714 MPa，975 ℃持久强度可达到母材性能指标的50%[9]。

　　针对Д-30发动机K465合金涡轮工作叶片锯齿冠磨损缺陷的钎焊修复，航材院研究了K465合金与耐磨合金ВКНА-2М的真空钎焊[10]。研究发现，BNi73CrSiB-40Ni(俄ВПр11-40H)混合粉末钎料与BNi82CrSiB钎料均可用于K465/ВКНА-2М的钎焊。BNi73CrSiB-40Ni钎料钎焊接头靠近K465母材一侧的钎缝基体为γ+γ'组织，而钎缝其他部位的基体则为γ固溶体，在其上也分布着一些γ+γ'组织，如图2所示。BNi82CrSiB钎料下钎焊接头组织与B-Ni73CrSiB-40Ni-S钎料类似，但BNi82CrSiB钎料钎焊接头中，黑色的Cr23C6碳化物相较BNi73CrSiB-40Ni-S钎料钎焊接头细小得多，且分布也较弥散;其中灰色化合物较多，尺寸也较大。这是Cr23C6碳化物相和灰色块状镍的硅硼复合化合物。

　　针对K465合金涡轮导向叶片的双联组焊及导流片、盖板的钎焊，中国航发沈阳黎明航空发动机集团公司采用BNi57NbCoWCrAlSiMo钎料在1 220 ℃/30 min规范下对K465合金及K465/GH3039进行了钎焊，并测试其性能，结果如表2、表3所示。由表2可知，K465合金自身钎焊接头室温抗拉强度达到了母材技术指标(830 MPa)，接头975 ℃/180 MPa持久寿命为46 h，达到母材技术指标的80%。由表3可知，K465/GH3039异种高温合金钎焊接头800 ℃抗拉强度超过GH3039母材技术指标(245 MPa)，900 ℃、975 ℃温度下试样皆断于GH3039母材，接头900 ℃/42 MPa持久寿命为124 h，超过GH3039母材持久寿命，且断于GH3039母材[12]。

　　2 真空电弧钎焊

　　电弧钎焊的电弧加热集中、热输入量小，对零件进行钎焊时变形量很小，焊接热影响区小，操作方便、节能高效又易于实现自动化。同时，电弧特有的去除氧化膜作用、带电粒子的冲击活化作用，都是常规电弧焊和钎焊无法具备的[13-14]。

　　真空电弧钎焊是发动机涡轮叶片修复方法之一。在发动机工作过程中，涡轮叶片的叶冠接触面由于振动面磨损，使叶冠间隙增加，往往导致叶根振动以至疲劳断裂。在俄罗斯，真空电弧钎焊已成功应用于航空发动机的设计制造中，该技术将耐磨镶片钎焊在易磨损面上，如图3所示[15]。在每台发动机制造中，利用真空电弧钎焊修复技术可以使叶片工作寿命提高2～4倍。采用真空电弧钎焊技术，在涡轮叶片叶冠耦合面上镶焊一层耐磨镶片，镶片材料的高温耐磨性能优于叶片材料，从而可以显著改進叶冠耦合面的耐磨性能。

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