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发表于 2007-8-7 12:50:12
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来自： 中国江苏常州
为适应高推比航空发动机研制的需要 ,一方面要求提高材料的工作温度 ,另一方面要求采用特殊结构实现对热端工作零部件的强化冷却。一般而言 ,常规耐热合金材料的使用温度的提高是有限的 ,很难达到发动机热端工作零部件应具备的耐温指标的技术要求 ,因而必须采用特殊的冷却结构 ,使常规耐热合金能够适应更高的使用温度。层板结构即是可满足这种需要的高效冷却结构。为了使层板结构能够在航空发动机热端零部件上被可靠的应用 ,必须解决耐热合金材料有效连接的技术难题 ,为此开展了该方面的研究工作。
' g% J1 l$ r8 _# \, _! B. e 层板材料选用ＧＨ188耐热合金薄板 ,ＧＨ188的工作温度在 12 0 0～ 130 0Ｋ左右 ,而热端零部件的实际工作温度在 180 0Ｋ左右。为了使ＧＨ188材料能够在这样高的工作温度下使用 ,要求层板结构的冷效在 0 .7以上<1,2 > 。制造这样的冷却元件需要采用多层结构 ,即将若干层ＧＨ188薄板通过扩散连接形成整体元件。为便于该元件的安装 ,还要求该元件具有很好的变形能力。其具体的技术要求 :层板元件在进行弯曲变形 (圆角Ｒ =2 .4ｍｍ ,弯曲角α≥90°)时 ,焊缝不开裂。4 d M8 h& k' d! [; f! }: c
1 试验用材料
) I# u6 O" [( k5 o/ H* R 1.1 基体材料试验用层板结构基体材料为ＧＨ188钴基耐热合金 ,其化学成分列于表 1中。表 1 ＧＨ188主要成分Ｔａｂｌｅ 1 ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＧＨ188ａｌｌｏｙ成分ＣｒＮｉＷＳｉＦｅＭｎＣＬａＢＣｏ含量ｗ/% 2 1.85 2 3 .2 2 14 .910 .33 <3.0 0 .5 70 .0 76 0 .0 80 .0 15余 薄板规格为 :0 .5ｍｍ的轧制状态板材。
' r0 g' E0 S* ?. x) H. @ 1.2 中间层合金作为扩散焊用中间层合金的成分设计而言 ,为了得到韧性好的焊缝 ,通常希望中间层合金中含脆性化合物形成元素尽量少 ;而为使合金具有更好的工艺性能以适应焊接工艺的技术要求 ,希望合金中含有足够多的降熔元素。由于上述两方面之间是相互矛盾的 ,为了协调两者之间的矛盾 ,通过大量的试验 ,设计确定了两种中间层合金 ,其成分列于表 2中。表 2 中间层合金化学成分Ｔａｂｌｅ 2 Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｉｌｌｅｒａｌｌｏｙ合金序号 化学成分ｗ/%ＮｉＣｒＣｏＳｉＢ1#余 2 0 .0 -8.0 1.52 #余 -2 0 .0 4.5 3.中间层合金的形式为快淬非晶态薄带 ,其规格为 :宽 2 0～ 50ｍｍ ,厚 0 .0 2～ 0 .0 4ｍｍ。
0 Y1 a1 a% U( H 2 试验设备及扩散焊工艺
+ s* \/ }& }2 @) r3 x# H5 W 2 .1 试验设备扩散焊采用ＺＫＨ 1型真空扩散焊炉进行。主要技术参数 :最高加热温度 12 50℃ ;真空度1× 10 - 2 Ｐａ ;最大压力 2 50 0ＫＮ ;有效加热空间Φ4 0 0ｍｍ× 50 0ｍｍ。分析仪器采用ＪＥＯＬＪＫＳ 560 0ＬＶ扫描电子显微镜。弯曲试验用仿型压头进行三点弯曲。
% b/ p5 B6 b, J 2 .2 扩散焊工艺采用两种扩散焊工艺进行对比分析研究 ,扩散焊工艺参数列与表 3中。表 3 扩散焊工艺参数Ｔａｂｌｅ 3 Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇ工艺序号工艺参数扩散焊温度℃保温时间ｍｉｎ施加压力ｋＮ真空度Ｐａ1# 115 0 + 110 0各 90 15 1× 10 - 22 # 12 0 0 12 0 15 1× 10 - 23 ) L4 g: c9 k) V% J w' N
3. 试验结果与分析
. N7 Z- z. B/ K8 S1 a$ Z 3.1 接头组织分析图 1为 1#合金 1#工艺形成焊缝的背散射组织 ,从图中可知焊缝中有硅化物存在 ,界面清晰。通过能谱分析知界面上存在较厚的富钨硅化物层。图 1 1#合金 1#工艺焊缝的显微组织Ｆｉｇ .1 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｊｏｉｎｔｗｉｔｈｐｒｏｃｅｓｓ 1#ａｎｄｆｉｌｌｅｒａｌｌｏｙ1#图 2为 1#合金 2 #工艺形成焊缝的背散射组织 ,与图 1相比较 ,焊缝中硅化物相数量明显减少 ,界面上的富钨硅化物层也明显变薄 ,基体与焊缝晶粒度一致。图 3为 2 #合金 1#工艺形成焊缝的背散射组织 ,焊缝中硅化物相很少 ,经过扩散及固溶过程尚未完全消失。界面虽残留少量细碎的硅化物 ,但界面已基本消失 ,焊缝与基体形成相互嵌合的晶粒组织。图 2 1#合金 2 #工艺焊缝的显微组织Ｆｉｇ .2 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｊｏｉｎｔｗｉｔｈｐｒｏｃｅｓｓ 2 #ａｎｄｆｉｌｌｅｒａｌｌｏｙ1#图3 2 #合金 1#工艺焊缝的显微组织Ｆｉｇ .3 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｊｏｉｎｔｗｉｔｈｐｒｏｃｅｓｓ 1#ａｎｄｆｉｌｌｅｒａｌｌｏｙ2 #图 4为 2 #合金 2 #工艺形成焊缝的背散射组织 ,焊缝中心的硅化物相已基本消失 ,界面已完全消失 ,与基体形成相互贯穿的晶粒组织。焊缝中各点能谱分析结果列于表 4中。通过组织及能谱分析可知 ,扩散焊温度的提高及保温时间的延长对焊缝组织均匀化是有利的 ,但合金中主要降熔元素硅在扩散过程中的行为并不活跃 ,其扩散速度慢、扩散距离短 ,同时硅元素在基体表 4 焊缝各点的能谱分析Ｔａｂｌｅ 4 Ｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒａａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｊｏｉｎｔｐｏｉｎｔ成分点位置1#合金 1#工艺 2 #合金 2 #工艺ＳｉＣｒＣｏＮｉＷＳｉＣｒＣｏＮｉＷ焊缝中心 6 .0 72 4.42 2 0 .96 46 .2 91.484.32 16 .812 9.4746 .30 1.6 7焊缝界面 4.5 12 5 .14 2 8.10 38.472 .943.0 417.82 32 .16 42 .483.0 5一倍焊缝 0 .6 72 7.7741.82 2 3.75 5 .2 10 .76 2 7.5 14 2 .2 12 4.114 .43图 4 2 #合金 2 #工艺Ｆｉｇ .4 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｊｏｉｎｔｗｉｔｈｐｒｏｃｅｓｓ 2 #ａｎｄｆｉｌｌｅｒａｌｌｏｙ2 #金属元素中的固溶度都很小 ( 5%以下 ) ,不可能将大量的硅固溶于基体材料当中 ,因而这种均匀化作用十分有限 ,只能在一定程度上减少化合物数量 ,使焊缝均匀化。一旦中间层合金中硅含量过高 ,则不可能通过改变扩散焊工艺参数的手段使焊缝组织均匀化 ,必然造成硅元素在焊缝上的富集 ,形成脆性的硅化物 (如图 1、2所示 ) ,使焊缝变形能力下降。当中间层合金中硅含量设计合理时 ,在理想的扩散焊工艺条件下 ,通过扩散及固溶作用 ,使硅含量降到较低的程度 ,能够完全固溶于焊缝组织中 ,焊缝中硅化物及界面消失 ,焊缝与基体材料形成一致的显微组织 ,晶粒相互贯穿 (如图 3、4所示 ) ,从而使焊缝的变形能力大大提高。
b7 T9 j4 n) c, S" S1 ? 3.2 焊缝弯曲试验采用仿型压头在试验机上进行三点弯曲试验 ,压头圆弧Ｒ =2 .4 ,1#合金 1#工艺试样冷弯角α≥90° ;1#合金 2 #工艺试样冷弯角α≥ 10 0° ;2 #合金1#工艺试样冷弯角α≥ 12 0° ;2 #合金 2 #工艺试样冷弯角α≥ 150° ;焊缝产生均匀变形 ,未发生开裂现象 ,说明接头韧性满足技术要求。
$ W# V: @ D1 a/ m 4 结论% G* U2 I! q% Z6 k, G' Y5 X
4.1 扩散焊ＧＨ188用 2 #中间层合金成分设计合理 ;
* h: ]2 C/ n$ k0 b/ W' P+ O" t4 W 4.2 采用的 2 # 12 0 0℃ /12 0ｍｉｎ扩散焊工艺是合理的 ;
( d/ [) c7 K4 ~0 H1 K 4.3 得到了理想的焊缝组织 ,完全满足技术要求 ;
4 F5 n9 \9 e6 i: d 4.4 焊出了合格的层板结构
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发表于 2007-1-17 20:36:32
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