鎳基釬料釬焊DD5單晶合金的 接頭組織和高溫持久性能

李思思 毛唯 陳波 程耀永 裴沖 熊華平 陳昊

摘要：DD5單晶高溫合金的焊接質量在航空發動機葉片的制造中十分關鍵。采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料，在一定釬焊條件下對DD5單晶高溫合金進行釬焊試驗。結果表明，NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料可實現DD5單晶高溫合金的釬焊，接頭冶金連接良好，無裂紋、孔洞等缺陷;釬縫組織較復雜，為γ+γ'雙相組織基體上分布硅化物、碳硼復合化合物、碳硼硅復合化合物等相;釬焊間隙對接頭高溫持久性能有影響，釬焊間隙為0.1 mm時，接頭980 ℃/100 h的持久強度可達到80 MPa。

關鍵詞：DD5單晶高溫合金;釬焊;鎳基釬料;高溫持久性能

中圖分類號：TG454，TG425? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0286-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.33

0 前言

DD5單晶是為滿足航空發動機渦輪葉片的需求而研制的一種第二代單晶高溫合金，該合金具有優異的高溫性能、良好的抗氧化性、抗熱腐蝕性以及組織穩定性。此外，DD5單晶添加了晶界強化元素C、B和Hf，不僅使得合金在小角度晶界的允許極限上具有優勢，同時這些元素的加入在一定程度上改變了凝固時的溶質分配并生成析出相，也強化了基體 [1-4]。釬焊是航空發動機渦輪葉片不可缺少的關鍵制造技術之一，例如對于渦輪工作葉片，通常在葉尖或葉根的有一些工藝孔需要采用釬焊技術予以封堵;而渦輪導向葉片則通常為雙聯或雙聯以上的焊接組合件，此外還可能有冷氣導管或導流板、蓋板等零件與葉片組件的釬焊。

中國科學院金屬研究所孫元等[5]對DD5單晶的釬焊進行了研究。采用Co-（18～20）Cr-（15～17）Ni-（7～9）Si-（4～5）W-（2～3）B鈷基釬料在1 180 ℃下對DD5單晶進行釬焊試驗研究，結果表明，釬焊間隙與釬焊保溫時間對接頭組織和性能有顯著的影響[6-7]。采用1 180 ℃/60 min的釬焊規范，釬焊間隙從10 μm增至200 μm，釬焊接頭870 ℃拉伸強度從792 MPa降至約400 MPa[6]。隨著釬焊保溫時間增長，釬焊接頭性能提高[7]。進一步增長釬焊保溫時間，接頭性能還可能提高，但保溫時間過長，會影響母材的組織狀態從而弱化母材性能，因此采用Co-Cr-Ni-Si-W-B釬料釬焊DD5單晶的最佳規范為1 180 ℃/180 min[7-8]

文中在1 230～1 260 ℃/20～30 min的條件下采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）鎳基釬料對DD5單晶進行了釬焊試驗。

1 試驗材料和方法

試驗用母材為第二代鎳基單晶高溫合金DD5，其主要合金元素含量如表1所示[3]。試驗用釬料為ВПр24鎳基釬料粉末。

采用對接釬焊接頭，接頭間隙分別為0.05 mm和0.1 mm。釬焊試驗在ZH-200型真空爐中進行，熱態真空度優于4×10-2 Pa，釬焊規范為1 230～

1 260 ℃/20～30 min。采用掃描電鏡和能譜儀對接頭組織進行分析。采用如圖1所示的試樣測試釬焊接頭980 ℃的持久性能。

2 結果與分析

2.1 釬焊接頭的組織

NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料在一定條件下釬焊DD5單晶的接頭組織如圖2所示。可見釬焊縫的組織很復雜，在釬焊縫中存在大量的各種形態的化合物相，釬焊間隙從0.05 mm（見圖2b）增大到0.1 mm（見圖2a），接頭組織幾乎沒有變化。表3列出了圖2a釬縫中各微區化學成分的能譜分析結果，圖3則為圖2a接頭局部區域部分元素的面分布，由于元素Co、Ta、C、Re、Ti、Hf的分布較均勻，因此圖3未列出這些元素的面分布。從圖3可見，釬縫中各種形態的化合物相均富Si（見圖3d）、富Mo（見圖3g），Ni含量較低（見圖3b），幾乎不含Al（圖3f）。對于不同形態的化合物相，灰塊相的Nb含量高于白塊、條相（見圖3c），W、B則主要在白塊、條相中（見圖3h、3i）。此外，灰塊相及其鄰近的釬縫基體中Cr含量低（見圖3e）。

結合表2與圖3的測試結果，分析釬縫組織如下：圖2a中灰塊（微區7）中Si、Nb含量很高，可能為富Nb的Ni3Si相;白塊（微區8）、條（微區9）富W，可能為M6（B，C）型硼碳化合物相;淺灰塊（微區6）則可能為硅硼碳復合化合物相;釬縫基體（微區3～5）為γ+γ'雙相組織，由于各種形態的化合物相Al含量很低，使得其鄰近區域釬縫基體（微區4、5）中Al含量高于其他部位的釬縫基體（微區3）。

表3列出了圖2b釬縫中各微區化學成分的能譜分析結果。對比表2和表3可知，兩種間隙的接頭（見圖2a、2b）釬縫的組織構成是相同的。此外，從表3還可以看出，母材中的微小條、塊相（圖2b中的微區10～11）應為碳化物[1-4]。其中圖2b中的小塊（微區11）過于細小，分析區域部分落在母材基體上，對照成分析結果有較大偏差。

2.2 釬焊接頭的高溫持久性能

NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料釬焊DD5單晶接頭的高溫持久性能測試結果如表4所示。可以看出，0.1 mm間隙接頭的高溫持久性能明顯優于0.05 mm間隙接頭，前者980 ℃/60 MPa持久壽命不低于77 h50 min，而后者980 ℃/60 MPa持久壽命只有10 h左右。此外，釬焊接頭的高溫持久性能測試數據分散性較大，例如0.1 mm間隙接頭的持久性能，較差的測試數據為980 ℃/60 MPa持久壽命約80 h，而較優的測試數據為980 ℃/80 MPa持久壽命超過100 h，即接頭980 ℃/100 h持久強度達到80 MPa（每100 h增加應力20 MPa）。

從圖2可見，間隙為0.05 mm與0.1 mm的釬焊接頭，其釬縫寬度雖然不同，但釬縫顯微組織是相同的，釬縫中均布滿了各種形態的化合物相。但不同間隙接頭的高溫持久性能卻存在較大差異，這可能與NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料自身的特性有關。NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料是俄羅斯開發的一種適用于大間隙釬焊的釬料，當釬焊間隙過小（如0.05 mm）時，釬料難以完全填滿間隙，可能使釬縫產生缺陷，導致釬焊接頭性能降低。此外，由于該釬料含Al的同時還含有10%～11%的Nb，使其工藝性能較差，這可能是其釬焊接頭性能測試數據分散的原因。

3 結論

（1）采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料，在一定釬焊溫度下可以實現DD5單晶高溫合金釬焊連接，接頭冶金質量好，無裂紋、孔洞等缺陷。

（2）采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）釬料釬焊DD5單晶的釬縫組織較復雜，為γ+γ'雙相組織基體上分布硅化物、碳硼復合化合物、碳硼硅復合化合物等相。

（3）釬焊間隙對釬焊接頭的高溫持久性能有一定的影響。釬焊間隙為0.1 mm時，接頭980 ℃/100 h的持久強度可達到80 MPa。

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Microstructures and stress-rupture properties of DD5 single crystal superalloy

joints brazed with a Nickel-based filler metal

LI Sisi， MAO Wei， CHEN Bo， CHENG Yaoyong， PEI Chong，

XIONG Huaping， CHEN Hao

（Welding and Plastic Deforming Division， Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China）

Abstract： Joining of DD5 single crystal superalloy is extremely important for the manufacturing of the blades and vanes in aero-engines. In this paper， the DD5 single crystal superalloy was brazed with NiNbCoWCrAlSiMo（ВПр24） filler metal. Sound joints were obtained. The joint microstructure was complicated. The interface reaction products could be characterized as carbides， borides and silicides compounds distributed on the γ+γ’ dual-phase matrix. Meanwhile， it was fount that the joint gap had an effect on the joint stress-rupture strength. With the joint gap of 0.1mm， the joint stress-rupture strength under the condition of 980℃/100h reached 80MPa.

Key words： DD5 single crystal superalloy; brazing; Nickel-based filler metal; stress-rupture properties