镍基高温合金蜂窝结构钎焊工艺及熔蚀行为-上海沃乘实业有限公司

镍基高温合金蜂窝结构钎焊工艺及熔蚀行为

更新：2022/3/4 16:55:14 点击：

品牌：沃乘
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产品介绍

随着飞行器速度的进一步提高，对于飞行器表面蒙皮的高温性能提出了更高的要求。本文使用 Ni-Cr-Si-B 和 Ni-Cr-Si 镍基钎料在不同温度下钎焊Haynes 214 合金试件，并比较了钎焊接头抗剪强度。随后又用这两种钎料分别在不同的条件下钎焊 Haynes 214 和 Inconel 718 镍基合金，制成蜂窝结构件。比较了不同钎焊温度、母材成分、以及不同钎料对蜂窝试件表面形态

的影响。通过用光学、电子显微镜、X 射线衍射分析了不同钎焊规范下的接头性能和蜂窝接头的显微组织结构。分析了影响钎焊蜂窝接头熔蚀的机理。

试验结果表明用 Ni-Cr-Si-B 钎料钎焊接头力学性能要好于用 Ni-Cr-Si 钎料钎焊接头。用 Ni-Cr-Si-B 钎料钎焊接头随温度升高，抗剪强度先升高后略有下降。在微观下观察，钎缝组织随温度升高其接头均匀化程度越高，但是同时钎料对母材的熔蚀也加剧。

Ni-Cr-Si-B 钎料焊接接头导致熔蚀的元素为 B，B 元素主要通过晶界快速扩散进入母材晶粒，同时也有部分 B 元素通过晶内扩散进入母材，不过速度比较慢。B 元素扩散进母材使得母材中析出第二相并在界面处形成新的新的低熔点共晶物质促进熔蚀。随着钎焊温度的提高，焊缝中固溶体区域变大，共晶组织和化合物区域变小，但是共晶组织有团聚、变大的趋势。Ni

Cr-Si 钎料中钎料对母材的熔蚀在一定温度范围内很小，主要随焊接温度的升高，熔蚀略有增加。最后，用两种钎料配合焊接大型蜂窝实际件，并对接头进行了拉伸、压缩、弯曲、剪切力学性能测试，发现试验结果都能满足使用要求。

镍基高温合金介绍

镍基高温合金主要有铸造和锻轧状态，如果含有合金元素较高，超过40%，则称为镍基超合金。一般认为镍基超合金的可焊性是很差的，含的合金元素越多，高温强度越高，它的可焊性越差。除少量轧制的镍基合金薄板，可以进行电弧、氩弧焊和电子束焊接外，对含合金元素较多的镍基超合金根本不能进行熔化焊接。镍基合金焊接时由于界面极易析出金属间化合物相而造成裂纹。但钎焊的方法，特别是真空钎焊的方法，焊接过程母材不熔化，使整个构件均匀加热，焊接部位没有应力，利用毛细作用自动填缝，特别适合薄壁、复杂和带有内部焊缝的构件的精密焊接。因此这种方法在航空发动机制造中广泛应用，主要用来钎焊涡轮发动机叶片、蜂窝结构密封环等重要结构，取得了满意的结果。

1.3 蜂窝结构及其制造工艺

蜂窝夹层网格的形状主要有以下几种：六角形，正方形和正弦波性。通常是在液压机上采用精确的钢制或者铝制阴模压制而成。正弦波形格子的蜂窝是由一个或几个波纹构成的标准蜂窝，与正方形和六角形蜂窝相似，系由不同的耐热材料制成，由胶接、点焊、连续点焊或钎焊方法拼接而成。六角形蜂窝为天然蜂窝结构，力学性能最好，故使用较多。

随着对蜂窝结构耐热温度要求的提高，出现了全金属的蜂窝结构。钎焊方法可以成功的连接全金属蜂窝结构，且能达到使用要求。索拉尔公司在氢气氛中进行钎焊，钎料中所含的元素能与基体形成固溶体，从而提高了接缝的重熔温度。康维尔、马丁和北美航空公司等公司均采用银钎料。更高的温度下使用的蜂窝结构则要采用高温钎料，如镍基和钴基钎料。高温钎焊的蜂窝结构也越来越成为研究和应用的热点。

钎焊时，对金属蒙皮的厚度有一定的限制，以防止翘曲产生，对钎料量

也有限制，焊前的清洁也很重要，以使钎料能够很好的润湿与铺展。

镍基高温合金连接概况

（1）高温合金的激光焊和电子束焊激光焊和电子束焊均属于熔焊，但其焊接能量高度集中，熔化母材最少，熔池存在时间最短，可以获得较常规熔焊方法TIG和MIG焊质量更好的接头，Ambrozlak等人研究了镍基高温合金的激光焊，并与TIG焊进行了比较。激光焊焊接接头中由于氧化物粒子变粗，其焊缝的弥散强化作用小于母材，同时由于晶粒的取向也不同于母材，因此，虽然其焊接接头的塑形和强度较高，但强度还是低于母材。

2）高温合金的气体保护焊

气体保护焊是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法，其优点是

电弧和熔池可见性好，操作方便，没有熔渣或很少熔渣，无需焊后清渣。用

于高温合金焊接的气体保护焊主要是钨极氢弧焊和熔化极惰性气体保护焊。

氩气对于熔化极和钨极弧焊射流、脉冲及短路电弧均适用，是焊接镍基高温

合金的主要气体。有时为了增加热输入，采用氩气和氦气（15%~20%）联

合保护的熔化极及钨极气体保护焊。在一定的焊接条件下，为了控制 CO 气

孔的产生，在氩气和氢气(小于 6%)联合保护的还原性气氛中进行钨极气体

保护焊。

熔化极惰性气体保护焊由于对焊接区的保护简单方便，焊接区便于观察，焊枪操作方便，生产效率高，易进行全位置焊接，易实现机械化和现代化。

3）高温合金的固相扩散焊接

扩散焊属于固相焊，扩散焊时接触界面处材料的塑性流变是获得可靠接

头的关键。文献[7]从汽轮机叶片的结构出发研究了Ni基高温合金的对接扩散

焊。高温合金的特点是高温强度高，变形困难，因此，扩散焊此类材料时，

要求特别高的焊接压力和长的焊接时间。然而焊接时间的增长，焊接过程中

产生的一些大晶粒经常对高温合金的性能有很大的损害。由于焊后热处理不

同于材料在生产时的定向再结晶热处理，因此也不能改善接头的高温性能。

4）高温合金的液相扩散连接

高温合金由于高温时难于塑性流变而使直接扩散焊变得非常困难。过渡

液相扩散连接，借助于过渡液相可以降低连接压力，缩短焊接时间，使连接

过程中母材的损伤减到最少。在文献[8]的一些研究中，通过在连接材料中加

入一些含有能降低熔点的元素（B和Si等）的Ni-Cr基中间层材料，在足够的

扩散时间后，获得了不含有析出的脆性相的优质接头。但是由于本课题所用

的蒙皮非常薄，钎焊时间变长后很容易引起钎料对母材的熔蚀从而影响焊接

接头的性能以及表面变形。

5）高温合金的钎焊

钎焊是连接高温合金的一种简单而又经济的焊接方法。目前欧美等一些

发达国家在飞行器表面蒙皮的制造上普遍采用钎焊方法焊接蜂窝结构来制

造。这是由于钎焊技术是一种近无余量的连接技术，用其代替螺纹连接、铆

接等可以明显地减轻构件质量，它可以连接不同种类的材料，接头具有较佳

的综合性能，可在高温(或超低温)、高压、腐蚀介质(如硝酸)或太空环境等

十分复杂而苛刻的条件下工作。所以选择用钎焊技术焊接镍基蜂窝结构。它

可以连接用其它方法较难连接的材料(如金属与陶瓷、碳/碳与钛合金等)和制

造用其它方法无法制造的结构(如液体火箭发动机波纹板夹层结构推力室)。

它生产率效高，一次就能连接数以百计、总长可达几千米的钎焊缝。由于先

进的钎焊技术能有效地减轻航天器构件的质量，降低制造成本，增加航天器

在商业上的竞争能力，因此国外十分重视先进钎焊技术的发展及其在航天器

上的应用。目前，它已成为航天器许多重要部件较关键的制造工艺技术.

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