K423合金釬焊接頭組織性能與葉片修復

潘 暉，趙海生，張學軍

（北京航空材料研究院焊接與塑性成形研究所，北京100095）

K423合金釬焊接頭組織性能與葉片修復

潘 暉，趙海生，張學軍

（北京航空材料研究院焊接與塑性成形研究所，北京100095）

為釬焊修復某型發動機高壓Ⅱ級、低壓Ⅰ級導向葉片服役后產生的裂紋，研究釬焊工藝對接頭組織性能的影響及釬焊熱循環對母材組織性能的影響。結果表明，最佳釬焊工藝為B工藝（1 200℃保溫30 min），釬焊熱循環使母材的組織細化，持久性能提高。采用B工藝及相應葉片釬焊修復流程對葉片進行試修復，修復部位無裂紋，工藝可行。

釬焊；葉片；修復；鎳基高溫合金

0 前言

渦輪導向葉片是發動機的關鍵部件，使用溫度較高，隨著航空發動機性能的提高，使用溫度不斷提高，葉片氣冷結構更為復雜，葉片材料從變形合金發展至鑄造高溫合金，又從等軸晶發展至定向凝固合金及單晶，葉片造價越來越昂貴。葉片使用一個壽命后往往產生裂紋、燒蝕等缺陷而報廢，對其進行修復，不僅可以節約大量資源，帶來巨大的經濟效益，同時可保證飛行器作戰適用性。

葉片修復開始于20世紀50～60年代，20世紀70年代取得成功，20世紀80年代形成獨立行業，20世紀90年代TLP、粉末冶金、熱等靜壓等工藝用于葉片修復[1-5]。目前在原有修復技術得到發展的同時[6]，隨著葉片冷卻通道的復雜化、葉片本身釬焊縫增多，局部加熱釬焊技術（如激光釬焊、電弧釬焊等）用于葉片補焊[7]，同時由于單晶葉片的使用，出現單晶葉片釬焊修復技術，研發出適用于新方法與新材料的新型不含硼、硅脆性化合物相的釬料[6]。

葉片修復主要難點是修復部位氧化膜去除與缺陷的焊接修復。氧化膜去除方法主要有氟化物反應去除方法和機械去除方法[8]。缺陷的焊接修復方法主要為釬焊修復和熔焊修復[4-5，9]。采用熔焊方法修復鋁、鈦含含量較高的鑄造鎳基高溫合金，易產生焊縫及熱影響區裂紋，因此往往用于葉尖等受力較小的部位[10]。

某發動機高壓Ⅱ級、低壓Ⅰ級導向葉片采用γ′相沉淀強化和鉬、鈷等元素固溶強化的鎳基鑄造高溫合金[11]，鋁鈦總量7.3％～8.2％，可進行氬弧焊及電子束焊，但焊接性不佳，易產生裂紋及內應力，長期使用后產生裂紋。為穩定接頭性能，減少葉片內應力及使用后產生裂紋，采用釬焊方法進行葉片的修復。葉片主要失效形式是：高壓Ⅱ導葉片的排氣邊裂紋（靠近緣板部位）、低壓Ⅰ導三聯葉片的電子束連接處裂紋。

1 實驗材料、設備和方法

實驗母材為K423，其成分如表1所示。釬料采用鈷基釬料，含有較高固溶強化元素Cr、W，主要降熔元素Si、B。合金粉為-200目含有Al、Ti鎳基合金粉，主要固溶強化元素為Cr、Mo、W。釬焊設備為真空釬焊-擴散焊爐，其極限真空度優于1×10-3Pa，試驗真空度優于1×10-2Pa，最高工作溫度1 270℃～ 1 300℃。采用JSM-5600LV掃描電鏡和INCA350X射線能譜儀進行組織分析。

表1 K423化學成分％

根據母材使用條件和釬料特性，采用的釬焊工藝分別為：A—1 200℃/30 min；B—1 200℃/60 min；C—1 200℃/120 min；D—1 200℃/240 min。

首先針對K423母材進行釬焊工藝對母材性能影響的研究，確定最佳修復工藝。采用機械方法去除氧化膜，釬焊修復工藝采用確定的最佳修復工藝，制定葉片修復流程，試修復葉片，并對修復葉片進行表面檢測及微觀組織分析。

2 釬焊工藝研究

2.1 釬焊接頭組織分析

采用鈷基釬料，填加鎳基合金粉末，應用大間隙釬焊技術釬焊0.5mm大間隙接頭，分析接頭組織。

將合金粉末置于釬焊間隙內，釬料置于其上，釬焊溫度下釬料熔化填充顆粒間隙，并與母材和金屬顆粒相互作用，冷卻后獲得0.5 mm間隙K423試樣釬焊接頭組織如圖1所示，各相成分如表2所示（由于B、C元素分析不準確未進行分析）。接頭組織（見圖1a）由釬縫、過渡層和母材組成，釬縫組織由合金粉顆粒和顆粒間相構成。由于釬料與合金粉顆粒間的相互作用、元素擴散，合金粉（見圖1a、1c）為γ基體上分布的γ′相及小塊狀化合物（其成分見表2中的相1），γ′相形狀不規則、大小不均勻，靠近化合物相處略粗大；顆粒間也是γ基體上分布的γ′相及塊狀化合物（其成分見表2中的相2）構成，但化合物相及γ′相較為粗大（見圖1a、1c）。由表2可知，合金粉顆粒間及顆粒內的大、小化合物相均為高Cr、W、Mo的化合物相，由于釬料中的Cr、W含量高于合金粉，而釬料中不含Mo，因此顆粒間化合物相2的Cr、W含量高，同時由于釬焊溫度下釬料與合金粉顆粒間元素相互作用與擴散，化合物相2中含有Mo，但少于合金粉顆粒內化合物相。釬焊溫度下釬縫中B、C向母材擴散，形成過渡層（見圖1b），過渡層中有較多硼化物針狀相3，同時有塊狀碳化物MC相4。由于釬料中B、C元素與母材中含量差異較大，形成濃度差，且B、C原子小，易擴散，在過渡層析出條狀高Cr、Mo的硼化合物相（見表2中的相3，由于針狀相較小，成分分析漂移，Ni含量受基體影響含量偏高）和不規則塊狀碳化物MC（見表2中的相4），在部分MC化合物外圍析出高Cr、Mo的硼化相包膜（見表2中的相5）。可見，釬焊接頭已生成γ′相，由于合金粉的存在，化合物相呈小塊狀彌散分布，有利于釬焊接頭性能的提高。

圖1 釬焊試樣接頭組織

2.2 釬焊工藝對接頭組織的影響

采用A、B、C、D四種釬焊工藝獲得的對接接頭組織如圖2所示。由A工藝至C工藝，隨著釬焊溫度下保溫時間延長，元素擴散充分；但到D工藝時，白色化合物聚集長大，此外由于元素遷移、空位擴散和聚集等，孔洞增加，同時由于硼、碳元素擴散在過渡層母材近縫區形成的針狀相明顯增多，對母材近縫區性能有影響。因此B、C工藝較為適宜。

表2 各相成分分析結果％

圖2 釬焊接頭組織

2.3 釬焊接頭性能

對采用A、B、C、D四種釬焊工藝獲得0.5 mm大間隙對接接頭進行性能對比測試。850℃應力150MPa測試接頭持久壽命（持久壽命大于32 h時應力增至180 MPa），試驗結果如表3所示。可見B、C釬焊工藝獲得接頭性能較好，A工藝由于保溫時間較短，釬料與母材作用不充分，因此接頭性能不佳，而D工藝由于保溫時間過長，性能下降，與2.2節釬焊工藝對接頭組織分析結果相一致。綜上分析，同時考慮到補焊，確定采用最佳釬焊工藝為B工藝。B釬焊工藝獲得兩種接頭850℃拉伸性能如表4所示。

表3 不同釬焊工藝條件下接頭持久壽命

表4 B工藝釬焊接頭850℃高溫拉伸性能

2.4 釬焊熱循環對母材組織性能的影響

K423原始鑄態組織呈明顯的樹枝晶形貌（見圖3a、3b），枝晶桿中γ′相呈規則的立方塊“田”字狀均勻分布在γ固溶體基體上（見圖3d），枝晶間的γ′相尺寸稍大，且形狀不規則，邊角圓滑（見圖3c），晶間分布深色骨架狀一次碳化物MC、少量灰色M23C6、（γ+γ′）共晶和微量M3B2（見圖3a、3b、3c）。經過B工藝熱循環后，與原始母材對比，母材仍呈枝晶形貌（見圖3e），但組織趨于均勻化，一方面晶界化合物相減少（見圖3a、3e對比），另一方面γ′相重溶并二次析出，立方狀γ′相更加規則地分布在γ基體中，且組織均勻細小，數量也明顯增多（見圖3d、3f對比），由此認為較長的保溫時間使母材組織均勻化，有利于消除枝晶間偏析，且組織更為均勻、細小，有助于母材性能的提高。

原始母材及熱循環后母材的持久性能如表5所示，經過釬焊循環的母材組織均勻化，持久性能獲得大幅度提高，經C工藝釬焊循環后的母材性能與B工藝相當。

表5 850/325 MPa持久壽命

3 葉片試修復

采用釬焊工藝B及相應葉片釬焊修復流程對葉片進行了試修復，高壓Ⅱ導葉片及低壓Ⅰ導葉片裂紋修復前后宏觀圖片如圖4所示，目視可見裂紋被釬焊修復，釬縫連續、外觀完整，無裂紋等缺陷。裂紋修復后的微觀組織如圖5所示，釬料潤濕并填滿裂紋間隙，能夠有效修復裂紋。

4 結論

（1）葉片修復的最佳釬焊修復工藝為1 200℃保溫30min。

（2）釬焊循環使母材組織均勻化，且組織更為均勻、細小，提高母材性能。

（3）采用1200℃保溫30min工藝及相應葉片釬焊修復流程試修復葉片，結果表明修復部位表面無裂紋，可以用其修復某型高壓Ⅱ導及低壓Ⅰ導葉片。

圖3 母材微觀組織

圖4 葉片修復前后宏觀照片

圖5 排氣邊裂紋修復微觀組織

[1]ELLISON K A，LOWDEN P，LIBURDI J.Powder Metallurgy Repair of Components[C].Germany：THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS 92-GT-312：P1-8 Present at the international GasTurbine and Expopsition Colilgne，1992.

[2]ELLISON K A，LOWDEN P，LIBURDI J.Powder Metallurgy Repair of Components[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1994，116（1）：237-242.

[3]LIBURDI J，ELLISON K A.NOVEL APPROACHES TO THE REPAIROFVANESEGMENTS[C].Ohio：THEAMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS 93-GT-230：P1-8.Present at the international GasTurbine and Expopsition Cincinnati，1993.

[4]關橋.發動機葉片與部件修復工程中的焊接技術（上）[J].航空工藝技術，1993（2）：2-12.

[5]關橋.發動機葉片與部件修復工程中的焊接技術（下）[J].航空制造技術，1993（3）：2-9.

[6]Xiao Huang;Warren Miglietti.Wide Gap

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Microstructure and mechanical properties of brazed joints for K423 alloy and vane repair

PAN Hui，ZHAO Haisheng，ZHANG Xuejun
（Welding and Plastic Forming Division，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

For repairing the engine high-pressure stageⅡand low-pressure stageⅠguide vanes，the effect of brazing technology on the microstructures and properties of brazed joints and base metal are studied.The results show that technology B(1 200℃/30 min)is optimal，the thermal cycle of brazing refines the microstructure of base metal and improve its endurance property.Using technology B and relevant technological processes，the guide vanes are repaired without any cracks in the brazed parts.

brazing；guide vane；repair；nickel-base superalloy

TG454

A

1001－2303（2016）06－0058-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.12

2015-08-21；

2015-12-29

潘暉（1969—），女，遼寧人，高級工程師，碩士，主要從事新型航空材料及復雜構件的釬焊與擴散焊、航空發動機葉片釬焊修復工作。