K465鎳基鑄造高溫合金釬焊及其在修復中的應用

李思思 靜永娟 程耀永 裴沖 毛唯

摘要：介紹了目前4種K465鎳基鑄造高溫合金釬焊技術及其在修復中的應用。對于常規釬焊間隙，采用Co45NiCrWB、BNi82CrSiB、BNi57NbCoWCrAlSiMo和BNi73CrSiB-40Ni釬料皆適合釬焊K465高溫合金，其中Co45NiCrWB釬料的釬焊接頭性能最好;采用真空電弧釬焊方法和B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料，可實現K465合金與耐磨合金B-2合金的連接，釬焊縫連續、致密、無裂紋等未焊合缺陷，葉片組織未見晶粒長大現象;采用FGH95鎳基合金粉為預填高熔點粉末的方法可實現0.5 mm大間隙的K465合金釬焊;真空電子束釬焊作為一種高質量、高效率、精確控制的制造技術，對各種精密、復雜部件連接制造具有非常重要的意義。

關鍵詞：K465鎳基高溫合金;釬焊;真空電弧釬焊;大間隙釬焊;真空電子束釬焊

中圖分類號：TG454文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）11-0037-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.07

0 前言

K465合金是一種合金化程度很高的鎳基鑄造高溫合金，其主要合金元素含量如表1所示。該合金的熱強性及承溫能力較強、高溫抗氧化性能較好，主要用于制作工作溫度低于1 050 ℃的發動機渦輪工作葉片和導向葉片[1-4]，如Д-30發動機的渦輪工作葉片為K465合金材料，工作葉片共有6級、每級葉片80～84件。Д-30發動機的K465合金渦輪工作葉片如圖1所示。葉片的制造過程中常涉及到釬焊技術。此外，在發動機使用過程中，由于磨損、沖擊、高溫燃氣和冷熱疲勞等作用，葉片表面容易產生裂紋、腐蝕和磨損等缺陷，致使大量葉片報廢。因此，工作葉片等熱端部件往往是發動機的薄弱環節。采用先進修復技術對存在缺陷尤其是表面裂紋缺陷的渦輪葉片進行修復，可延長葉片使用壽命、減少葉片的更換，獲得可觀的經濟收益。國內外已開展了葉片修復技術的基礎理論和工程化應用研究。常見葉片修復技術包括熔焊、等離子焊、激光焊、固相擴散焊、釬焊及大間隙釬焊等，但主要采用的是釬焊工藝方法。

1 K465鑄造高溫合金的釬焊

釬焊技術是發動機渦輪葉片生產和修復的關鍵技術。高溫合金釬焊包括常規間隙（0～0.15 mm）釬焊和大間隙（>0.15 mm）釬焊。常規釬焊直接采用鈷基或鎳基釬料進行釬焊連接，由于釬料中含有B、Si等元素，釬縫中硼化物或硅化物等硬度較高的化合物相成為接頭性能的薄弱環節[4-6]?；衔锵嗟臄盗考靶螒B對接頭性能有較大影響，通過釬焊后擴散處理，使降熔元素B等擴散至母材，從而減少了化合物相，可提高接頭性能[7-8]。此外，高溫長時間擴散可以消除脆性化合物相，獲得性能接近K465母材的等溫凝固接頭。當釬焊間隙略大時，采用熔化溫度區間較大的釬料也可以實現連接，但接頭脆性化合物相數量多、接頭性能不佳。當間隙較大時（如0.5 mm），熔化釬料對間隙部位的毛細作用不再存在，需采用大間隙釬焊方法進行連接。

中國航發北京航空材料研究院（以下簡稱航材院）采用BNi57NbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）和Co45NiCrWB在1 220 ℃/15 min規范下釬焊K465合金，并在焊后進行固溶處理，BNi57NbCoWCrAlSiMo釬料釬焊接頭室溫拉伸強度為862 MPa，975 ℃持久強度達到母材性能指標的40%;Co45NiCrWB釬料釬焊接頭室溫拉伸強度為714 MPa，975 ℃持久強度可達到母材性能指標的50%[9]。

針對Д-30發動機K465合金渦輪工作葉片鋸齒冠磨損缺陷的釬焊修復，航材院研究了K465合金與耐磨合金ВКНА-2М的真空釬焊[10]。研究發現，BNi73CrSiB-40Ni（俄ВПр11-40H）混合粉末釬料與BNi82CrSiB釬料均可用于K465/ВКНА-2М的釬焊。BNi73CrSiB-40Ni釬料釬焊接頭靠近K465母材一側的釬縫基體為γ+γ'組織，而釬縫其他部位的基體則為γ固溶體，在其上也分布著一些γ+γ'組織，如圖2所示。BNi82CrSiB釬料下釬焊接頭組織與B-Ni73CrSiB-40Ni-S釬料類似，但BNi82CrSiB釬料釬焊接頭中，黑色的Cr23C6碳化物相較BNi73CrSiB-40Ni-S釬料釬焊接頭細小得多，且分布也較彌散;其中灰色化合物較多，尺寸也較大。這是Cr23C6碳化物相和灰色塊狀鎳的硅硼復合化合物。

針對K465合金渦輪導向葉片的雙聯組焊及導流片、蓋板的釬焊，中國航發沈陽黎明航空發動機集團公司采用BNi57NbCoWCrAlSiMo釬料在1 220 ℃/30 min規范下對K465合金及K465/GH3039進行了釬焊，并測試其性能，結果如表2、表3所示。由表2可知，K465合金自身釬焊接頭室溫抗拉強度達到了母材技術指標（830 MPa），接頭975 ℃/180 MPa持久壽命為46 h，達到母材技術指標的80%。由表3可知，K465/GH3039異種高溫合金釬焊接頭800 ℃抗拉強度超過GH3039母材技術指標（245 MPa），900 ℃、975 ℃溫度下試樣皆斷于GH3039母材，接頭900 ℃/42 MPa持久壽命為124 h，超過GH3039母材持久壽命，且斷于GH3039母材[12]。

2 真空電弧釬焊

電弧釬焊的電弧加熱集中、熱輸入量小，對零件進行釬焊時變形量很小，焊接熱影響區小，操作方便、節能高效又易于實現自動化。同時，電弧特有的去除氧化膜作用、帶電粒子的沖擊活化作用，都是常規電弧焊和釬焊無法具備的[13-14]。

真空電弧釬焊是發動機渦輪葉片修復方法之一。在發動機工作過程中，渦輪葉片的葉冠接觸面由于振動面磨損，使葉冠間隙增加，往往導致葉根振動以至疲勞斷裂。在俄羅斯，真空電弧釬焊已成功應用于航空發動機的設計制造中，該技術將耐磨鑲片釬焊在易磨損面上，如圖3所示[15]。在每臺發動機制造中，利用真空電弧釬焊修復技術可以使葉片工作壽命提高2～4倍。采用真空電弧釬焊技術，在渦輪葉片葉冠耦合面上鑲焊一層耐磨鑲片，鑲片材料的高溫耐磨性能優于葉片材料，從而可以顯著改進葉冠耦合面的耐磨性能。

為實現某發動機低壓渦輪葉片鋸齒冠耐磨片的連接，采用B-Ni65CoCrWBMoAlNb（俄ВПр27）釬料，對K465合金與B-2（俄ВЖЛ2）耐磨合金進行了真空電弧釬焊試驗和焊后耐磨片的撕裂試驗。真空電弧釬焊設備工作原理如圖4所示。在真空壓力不低于2×10-2 Pa、電流范圍3～30 A及電弧長度10～30 mm條件下，用B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料可實現K465合金與B-2合金釬焊連接，釬焊縫連續、致密，釬料填滿釬焊間隙、無裂紋等未焊合缺陷;葉片經釬焊熱循環后其組織未見晶粒長大現象。相應接頭剪切力測試值達到2 727 N，滿足技術條件的要求（大于980 N）。釬焊的低壓渦輪葉片鋸齒冠耐磨片通過了發動機長試考核[4]。

3 K465鑄造高溫合金大間隙釬焊技術

大間隙釬焊具有效率高、修復質量穩定等優勢，且可以減少孔洞、降低化合物相和共晶組織的尺寸及數量，從而獲得較高性能的修復接頭[5]。近30年，針對不同材料和間隙開發的大間隙釬焊技術得到了快速發展和工程應用。如Liburdi公司的LPM工藝可一次性修復6 mm缺陷，采用疊層方法可一次性修復16 mm缺陷[6]。大間隙釬焊技術主要包含兩種方法：混合粉末法和預置高熔點粉末法?；旌戏勰┓ㄊ侵父呷埸c金屬粉末可與釬料混合后密實填入間隙，實現釬料熔化、潤濕，粉末體團聚燒結及燒結體與工件基體之間的冶金連接。該方法下混合粉末會有少許收縮，因此對修復缺陷尺寸及形貌均會產生一定的影響[7-8]。預置高熔點粉末法是預制密實的高熔點金屬粉末填入大間隙部位而釬料置于間隙外靠近間隙處，釬料熔化潤濕母材及合金粉，在高熔點金屬粉末間的毛細作用下流入合金粉間隙而形成連接。二者的共同特點是：除釬料外均需填充高熔點金屬粉末，釬焊時高熔點粉末不熔化、起骨架作用，釬料填充間隙轉變為高熔點粉末間的間隙，減小了間隙又存在毛細作用，因此可實現釬焊連接或缺陷修復。

大間隙釬焊所采用的釬料、高熔點金屬粉、釬焊工藝以及高熔點金屬粉與釬料的比例等對接頭性能影響較大。大間隙釬焊雖然采用合金粉，但釬料用量仍高于常規釬焊接頭。大間隙釬焊接頭也可以通過焊后熱處理來提高接頭性能[5]。國內外在大間隙釬焊方面都做了較多研究，獲得了較好的接頭性能[16-17]。

采用BNi57NbCoWCrAlSiMo釬料和FGH95鎳基高熔點金屬粉末對0.5 mm大間隙的K465合金接頭進行釬焊，發現接頭中硅化物及硼化物相不僅是接頭的薄弱環節，而且其數量、形態對接頭性能影響較大，其中漢字型及骨架狀化合物相往往是裂紋的起源部位[18]。

航材院采用FGH95鎳基合金粉作為預填高熔點粉末對0.5 mm大間隙的K465合金接頭進行釬焊[19-20]。采用的釬料為Co45NiCrWB，大間隙釬焊用接頭性能試樣如圖5所示。結果表明：在1 220 ℃、保溫0.5 h下獲得的釬縫組織由合金粉顆粒及顆粒間的相構成，顆粒內為γ+γ'兩相組織，顆粒間為γ+γ'兩相基體上分布硼化物、硅化物及γ+γ'共晶組織，如圖6所示;隨釬焊保溫時間的延長，合金粉顆粒長大，化合物相及γ+γ'共晶組織合并，總量減少，如圖7所示;釬焊保溫時間為0.5～4 h時，接頭平均持久壽命由31.59 h提高至54.58 h，但難以獲得高性能等溫凝固接頭。此外，預置高熔點粉末法要求缺陷部位的底部間隙不能過大，否則會造成漏粉而形成二次缺陷;由于預先對合金粉進行燒結，釬焊連接時不伴有體積變化，因此接頭質量穩定，且對于鏤空缺陷如導向器葉片進氣邊大塊燒蝕可實現有效連接[21-22]。除以上預填粉末和預填高熔點粉末的方法，采用混合帶和混合粉的方法時由于釬料與合金粉混合放置，釬焊燒結連接時產生體積收縮，易產生裂紋凹坑等缺陷，修復質量不易保證，因此不推薦使用。對熱等靜壓處理后接頭組織的分析結果表明，熱等靜壓可有效去除接頭顯微孔洞。

4 K465高溫合金真空電子束釬焊修復技術

真空電子束釬焊是用電子束作為熱源進行真空釬焊，使電子束由點熱源轉化為面熱源，實現零件的局部高速均勻加熱。該工藝具有普通真空釬焊無法比擬的優越性，如高溫停留時間短、釬料對母材的溶蝕少、輸入能量精密可控、能量輸入路徑可任意編輯等[23-25]。該技術作為一種高質量、高效率、精確控制的制造技術，對各種精密、復雜部件連接制造具有非常重要的意義[26]。

針對K465鎳基高溫合金，哈爾濱工業大學研究了采用BNi82CrSiB和B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料的真空電子束釬焊修復技術。首先研究了主要工藝參數對釬料潤濕性的影響，包括束流、加熱時間和聚焦電流等[27-28]，變化趨勢如圖8所示。

研究發現，隨著束流、加熱時間及聚焦電流的升高，兩種釬料的潤濕性都有所提升，且兩種釬料對K465合金都有較好的潤濕性，同質量的BNi82CrSi釬料潤濕性優于B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料。但是考慮到鎳基高溫合金工程實用結構的高溫服役要求及延長接頭使用壽命的需要，推薦選取熔點更高的B-Ni65CoCrWBMoAlNb釬料，同時工藝實施時采用小束流、合理控制加熱時間，以避免可能出現的溶蝕或者母材熔化現象[29]。接頭的抗剪強度與束流、加熱時間的關系如圖9所示。在釬焊接頭界面中生成鎳基γ固溶體、Ni2Si相、Ni3B相、Ni3Al相和Ni3Si相5種產物[30-31];當束流為2.8 mA、加熱時間為280 s、聚焦電流為1 800 mA時，開非貫通槽模擬件接頭的拉伸試件斷裂于釬縫中心，斷口呈典型的脆性穿晶斷裂特征。

由于K465高溫合金Al、Ti含量較高，特別是有高的γ'強化相形成因子（Al+Ti），導致熔焊修復時會在熔化區和熱影響區形成熱裂紋和焊后熱處理的時效裂紋，此外采用熔焊修復較大尺寸缺陷時會導致大的焊接變形。

5 結論

大間隙釬焊典型的釬縫組織由金屬顆粒和其周圍化合物鏈或束的釬料金屬構成。不斷改善釬縫組織、提高釬焊接頭性能，以及采用各種措施提高可一次性修復缺陷尺寸是大間隙釬焊修復高溫合金渦輪葉片的發展目標。而真空電子束釬焊修復工藝具有普通真空釬焊無法比擬的優越性，如高溫停留時間短、釬料對母材的溶蝕少、輸入能量精密可控、能量輸入路徑可任意編輯等。將電子束釬焊用于鎳基高溫合金葉片的修復，不僅提高了葉片的修復質量，對提高生產效率、節省能源等都具有重要意義。

參考文獻：

[1] 陳國良. 高溫合金學[M]. 北京：冶金工業出版社，1988.

[2] Bakhtiari R，Ekrami A. The effect of gap size on the mic-rostrueture and mechanical properties of the transient liquid phase bonded FSX-414 superalloy[J]. Materials and Design，2012（40）：130-137.

[3] 梁海，毛唯，孫計生. K465鑄造高溫合金高溫釬焊接頭的顯微組織[J]. 材料工程，2005（9）：7-10.

[4] 潘暉，趙海生，張學軍. 某型發動機渦輪葉片釬焊修復[C].第十七次全國焊接學術會議，2012.

[5] Stephen Schoonbae，Xiao Huang，Scott Yandt，et al. brazing and wide gap repair of x-40 using Ni-Base Alloys[J]. Jo-umal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008，130（3）：110-119.

[6] Doug Nagy，Xiao Huan. Wide gap braze repair using ver-tically laminated repair scheme[J]. Journal of Engineering for GasTurbines and Power，2009，131（1）：012101-1～7.

[7] 趙海生，潘暉，張學軍，等. 保溫時間對K452高溫合金釬焊接頭組織與性能的影響[J]. 航空材料學報，2015，35（3）：43-48.

[8] 潘暉，趙海生，劉永超，等. 擴散處理對鎳基高溫合金大間隙釬焊接頭組織和性能的影響[J]. 電焊機，2016，46（7）：4-7.

[9] 毛唯，周媛，葉雷，等. 不同釬料釬焊K465高溫合金接頭的組織和性能[J]. 電焊機，2008，38（9）：65-68.

[10] 葉雷，毛唯，趙海生. Д-30發動機渦輪工作葉片的釬焊補焊[J]. 航空維修與工程，2014（4）：54-58.

[11] 李曉紅，熊華平，張學軍，等. 先進航空材料焊接技術[M].北京：國防工業出版社，2012.

[12] 韓峰，王斌，孔慶吉，等. K465合金及K465與GH3039異種合金的釬焊[J]. 焊接技術，2011，40（5）：26-29.

[13] 宋建嶺. 鎳基合金與不銹鋼電弧釬焊工藝研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工業大學，2007.

[14] 林三寶，宋建嶺. 電弧釬焊技術的應用與發展[J]. 焊接，2007（4）：19-21，36.

[15] 郭和平，王繼紅，韋依，等. 空心陰極真空電弧釬焊設備的研制及工藝研究[A]. 全國特種連接技術交流會論文集[C]. 哈爾濱：中國機械工程學會，2002.

[16] 李曉紅，葉雷，鐘群鵬，等. DD3合金TLP擴散焊等溫凝固過程研究[J]. 航空材料學報，2011，31（6）：1-6.

[17] 毛唯，李曉紅，程耀永. DZ125高溫合金的真空釬焊[A].第九次全國焊接會議論文集（第一冊）[C]. 1999.

[18] 潘暉，趙海生. 鎳基釬料釬焊K465高溫合金大間隙接頭組織與性能研究[J]. 材料工程，2017，45（5）：86-93.

[19] 潘暉，趙海生. 鈷基釬料釬焊K465高溫合金大間隙接頭組織與性能[J]. 航空材料學報，2017，37（3）：50-55.

[20] 劉永超，潘暉，趙海生. 兩種釬料大間隙釬焊K465合金接頭組織與性能[J]. 電焊機，2015，45（6）：10-13.

[21] 潘暉，趙海生，張學軍. K465鑄造高溫合金件缺陷修復[J]. 電焊機，2015，45（1）：18-22.

[22] T Henhoeffer，X Huang，S Yand. Microstructure and high temperature tensile properties of wide gap brazed cobalt based super alloy X-40[J]. Materials Science and techno-logy，2010，26（4）：431-439.

[23] Yang P，Turman B N. Braze microstructure evolution and mechanical properties of electron beam joined cersmles[J].Material chemistry and Physics，2000，64（2）：137-146.

[24] Jan Felha，Kazimierz P F. Electron beam activated brazing of cubic iron nitride to tungsten carbide cutting tools[J].Vacuum，2001，62（2）：171-180.

[25] 王剛，陳國慶，張秉剛，等. 電子束釬焊修復K465鎳基高溫合金葉片[J]. 焊接學報，2010，31（9）：85-88.

[26] 王剛，張秉剛，何景山，等. 鎳基高溫合金電子束釬焊接頭界面組織及力學性能[J]. 焊接學報，2008，29（7）：89-92.

[27] 王剛，張秉剛，馮吉才，等. K465鎳基高溫合金電子束釬焊潤濕性及界面產物[J]. 焊接學報，2008，29（2）：49-53.

[28] 李少青，張毓新，梁智，等. 真空電子束釬焊工藝研究[J].焊接技術，2004，33（1）：27-29.

[29] 李少青，張毓新，蘆鳳桂，等. BNi-2釬料真空電子束釬焊[J]. 航空制造技術，2004（9）：72-75.

[30] 李少青，張毓新，蘆鳳桂，等. 電子束釬焊接頭組織分析[J]. 材料科學與工藝，2006，14（2）：7-8.

[31] 解瑞軍，陳芙蓉. 不銹鋼電子束釬焊接頭顯微組織和力學性能研究[J]. 焊接技術，2006，35（6）：7-8.