高溫合金焊接研究現狀及發展趨勢

柯長福 王旭彬

摘要：高溫鋁合金具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐氧化特征，在高精度、高端領域應用廣泛。本文重點論述了高溫合金發展現狀、應用場景，針對高溫合金技術中裂紋類型及原因進行分析，對技術工藝以及相應的優缺點做出細致講解，并對高溫合金焊接常見問題及改良措施做了介紹，推動我國高溫合金技術不斷創新發展。

關鍵詞：高溫合金;焊接工藝;技術改良

引言

我國科學技術創新發展，推動了各領域技術性能不斷完善，高溫合金在我國高、精、尖領域生產中利用率越來越高，可以在嚴苛的環境下承受復雜的機械應力，滿足人們應用需求。隨著人們對航空、航天等領域的發動機性能要求的提高，對內燃機和噴氣發動機耐用性要求的提高，普通金屬難以完成飛機發動機技術創新要求，高溫合金具有可塑性、抗拉性及耐腐蝕特性，目前在航空領域普遍運用。

1高溫合金分類

高溫合金根據材料形成方法，包括鑄造、變形、新型三種形式。高溫合金主要分為三類，鐵基高溫合金以Fe 為基體，可以融合少許Ni、Cr等材質，提高其耐高溫及耐氧化能力。鈷基高溫合金以Co為基體，融合少許Ni、Cr等材質，提高耐高溫性能，由于Co成本較高，一般應用范圍窄化，僅運用于復雜應力零件生產。鎳基高溫合金主要以Ni為基體，較Fe為基體的耐高溫性能更強，其成本價格低于Co為基體，可廣泛運用于各領域。我國飛機、艦船、燃氣輪機對變形高溫合金應用占比較大，鑄造高溫合金最高耐溫能力可到到1800℃以上，但由于成型較為困難，新型高溫合金可以解決高溫合金成型困難問題，適用領域更加寬泛。

2高溫合金焊接的發展

2.1焊接裂紋形成機理

高溫合金由于應用場景限制，主要集中在對焊接裂紋、焊接接頭、微觀組織等技術工藝掌控。

2.1.1凝固裂紋

焊接縫區容易在凝固溫度區間造成晶間的液體封閉，導致凝固晶界與亞晶界之間出現閉合不嚴，這種裂紋稱之為凝固裂紋。主要因素是高溫合金耐溫性能影響其導熱性能，液態高溫合金缺乏流動性，焊接接頭易發生熱裂狀況。通過對同類合金的凝聚溫度區間計算，結果表明不同含量對合金凝固溫度區間有一定內在聯系，其中W含量與合金凝固溫度區間具有正向聯系。界面活性原子偏析析液相中，形成低熔點共晶相，弱化了晶界的凝聚力，導致焊縫閉合能力差，進而出現裂紋。

2.1.2液化裂紋

晶間液膜在熱應力和機械應力因素下產生的裂紋叫做液化裂紋。其中焊縫晶間會生成液膜，導致裂紋出現。通過對焊接儀器實驗發現Nb、B等物質會隨著焊接接頭應力的增加，液化裂紋會隨之增大，具有一定敏感性。熱影響區晶界富Nb物質會因焊接動作溫度的升高出現液化。

2.1.3高溫失塑裂紋

這種微小的裂紋一般易在固相線以下低塑性溫度區出現。雖然學者對高溫失塑裂紋未能明確形成機理，但導致裂紋產生的主要原因有P、S、Nb、Mn等元素含量，焊后熱處理工藝以及晶界的狀態以及適應性。

2.1.4應變時效裂紋

焊接焊后殘余應力與實效應力雙重作用下，超過了合金塑性承受能力，晶界會因應力驟然聚集而導致沿晶開裂。該裂紋主要發生在焊后熱處理后者焊縫熱影響區。技術人員應對合金晶粒尺寸嚴格審核，在作業過程中控制熱輸入量，焊前及焊后加強技術控制，采用預熱或噴丸等處理手段。

2.2高溫合金的焊接工藝研究

2.2.1鎢極氬弧焊

該焊接工藝具有飛濺微弱、電弧穩定、焊接對象廣泛、焊接質量優良的特點，因焊接操作便捷，可以實現自動焊接。高溫合金鎢極氬弧焊一般對焊接接頭控制能力較強，主要改善或應用特定焊接工藝為主。不同焊接參數下，晶粒相、焊接峰值電流區間、脈沖頻率等有所不同，其中脈沖TIG焊可以嚴格控制技術參數，焊縫峰值電流、脈沖頻率、占空比增加，焊縫強度也會隨之提高，可以細化晶粒效果。對高溫合金開裂部分預熱處理后，會弱化液化裂紋的生成。如果焊接速度放緩，易出現氣孔或者咬邊等技術不良現象，在熱影響作用下，易出現液化裂紋，難以滿足高精度構件焊接要求。

2.2.2激光焊接

該焊接工藝較為精密，熱源采取高能量密度的激光束，焊件熱影響區范圍控制較小，可以高度集中熱輸入，實現自動化控制，可以滿足高精度的航空領域焊接技術應用。高溫合金如果熱輸入過大會生成液化裂紋，激光焊可以降低熔池流動性，適用于多種焊接參數區間，對提高焊縫強度，控制裂紋具有良好作用。在相同熱輸入條件下，不同材質激光焊接接頭，焊縫均不會產生氣孔和裂紋等嚴重不良缺陷，焊縫因焊接母材差異，強度也會產生一定變化。鎳基高溫合金焊接易發生裂紋，因此，采用激光焊接，經過對比實驗，焊前固溶熱處理可以使鎳基高溫合金內部物質溶解，隨著合金強度的加大，融化裂紋長度也會隨之增加。

2.2.3電子束焊

該焊接技術工藝是在真空環境或大氣環境下，對加工部件采取加速和聚焦的電子束完成焊接工藝。電子束焊能量密度高，變形小、深寬比大，熱影響小、高純凈性等特點，可用于高精度、高端制造領域。電子束焊接為了控制裂紋，應在作業前做熱處理。對電子束焊做實驗，結果表明電子束流與深寬比及熔深呈正向關聯，如果加入掃描波形會出現接頭橫截面彎曲，背面未焊接完全等不對等性。焊接接頭強度應大于焊接母材，但焊縫區硬度未能高于焊接母材。熱處理可以提高焊接接頭強度，還具備一定延展性和抗拉性。電子束焊接受到作業環境限制，工件過大難以操作，大批量構建不適用該技術工藝。

2.2.4釬焊

該焊接工藝采用熔點較低的焊件與釬料共同加熱，利用液態釬料對工件縫隙做出連接。實驗表明，釬焊在1250℃，保持10min，抗壓強度為645MPa，此技術參數接頭抗剪強度最高。

2.2.5摩擦焊

該焊接技術是對工件接觸面摩擦生成熱源，在摩擦產生熱能的作用下使焊面變形，熱影響集中，不容易生成裂紋。目前，業內學者重點優化焊接參數，對運行機理研究不夠深入。通過實驗表明，當轉速800r/min時，飛邊光滑，隨著轉速的提高，飛邊逐步呈現弧紋和開裂。對合金線性摩擦焊試驗表明，該焊接工藝較熔焊工藝不同的是，焊縫區布滿了重結晶晶粒。焊接過程中產生的壓應力控制了液化裂紋產生。

3高溫合金焊接技術未來發展趨勢

高溫合金根據不同應用場景及作業環境可采取不同焊接技術，滿足各領域工業、制造業發展需求。高溫合金焊接技術推動了我國航空、國防、機械加工等領域制造，尤其高精度、高端部件的制造，可以提高焊接的精度和質量。高溫合金焊接加工技術還應根據人們生產、生活需求，在技術工藝上不斷創新科學研究、更新迭代，在綜合性能不斷提高的前提下拓展應用范圍。

4結束語

綜上所述，高溫合金采用不同焊接技術，焊接工藝技術優缺點也有所不同。我國航空發動機、渦輪葉片發動機等廣泛采用高溫合金焊接技術，該材質具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、耐氧化等特點，針對不同工藝優缺點及突破性改良案例介紹，為高溫合金未來發展指明了方向，對拓展高溫合金應用范圍夯實基礎。

面

參考文獻

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