工裝配重對第二級擴壓器真空釬焊質量的影響

方嵐楓 鄭醫(yī) 王鐵海 張宇慧 宋健 黃鵬躍 陳健 祁成雷 張旭 戎漪婷 陳紅艷

摘要：采用釬料BNi94SiB980-1065，在釬焊規(guī)范為1 130 ℃/10 min的條件下，通過調整工裝配重質量，對Z8CND17-04材料第二級擴壓器進行真空釬焊;同時，借助金相顯微鏡和超聲波檢測儀，分析了真空釬焊前后葉片高度變化、釬縫質量和釬透率。結果表明，當工裝配重為56 kg時，釬縫質量較差，零件翹曲達到0.75 mm;隨著工裝質量的增加，釬縫質量和零件翹曲都有所改善;當工裝配重達到94 kg時，葉片高度控制在規(guī)定的范圍內，獲得釬焊接頭質量良好，零件翹曲控制在0.5 mm以內，釬透率達到90%以上。

關鍵詞：工裝配重;第二級擴壓器;真空釬焊;葉片高度;釬透率

中圖分類號：TG454? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0094-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.17

0? ? 前言

擴壓器零件是航空渦軸發(fā)動機壓氣機部件的關鍵件，為燃燒室提供高壓氣體[1]，此類零件的氣流流道面積或高度與渦輪工作相匹配，其大小直接影響發(fā)動機的性能[2]。設計結構有第一級徑向擴壓器和第二級徑向/軸向擴壓器[3]，通常擴壓器零組件都是通過真空釬焊的方式將兩個復雜的薄壁零件連接在一起[4]，真空釬焊已成為擴壓器加工制造的重要手段之一[5]，在實際的真空釬焊工藝中，釬料熔化時[6]，通過釬焊技術調節(jié)流道面積或葉片高度，從而保證擴壓器零組件的流道面積或葉片高度。

釬透率與葉片高度是衡量擴壓器零組件質量的重要指標之一。葉片高度（喉道面積）控制在規(guī)定范圍內，真空釬焊釬縫組織良好，真空釬焊區(qū)域的釬透率不小于85%，除真空釬焊工藝規(guī)范外，工裝配重也是控制擴壓器真空釬焊變形的主要因素[7]，是大尺寸薄壁擴壓器零組件加工技術研究的重要課題之一。

文中采用釬料BNi94SiB980-1065對第二級擴壓器（母材Z8CND17-04）進行真空釬焊。通過對第二級擴壓器的蓋板與葉片盤真空釬焊釬縫質量、釬透率和真空釬焊前后葉片高度進行深入分析，研究和探索不同工裝配重對真空釬焊質量的影響和變形控制規(guī)律，解決大尺寸薄壁擴壓器零組件真空釬焊變形問題，提高一次加工合格率，從而降低航空渦軸發(fā)動機壓氣機部件的制造成本。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試驗材料

試驗母材采用沉淀硬化不銹鋼Z8CND17-04（相當于國產17-4PH材料），其化學成分如表1所示。C、S含量使用CS-2800型碳硫分析儀，其他元素使用ICP-OES分析設備。

試驗所用釬料牌號為BNi94SiB980-1065，標準為AMS4779[8]，其主要化學成分如表2所示，釬料狀態(tài)為粘帶狀和膏狀，蓋板與葉片盤的釬焊位置用粘帶狀釬料連接，葉片盤的榫頭與蓋板的釬焊位置用膏狀釬料連接。第二級擴壓器結構示意如圖1所示。

1.2 試驗釬料制備

1.2.1 粘帶狀釬料加工

根據(jù)葉形尺寸采用激光切割機編程，選用牌號為BNi94SiB980-1065的粘帶狀釬料，規(guī)格0.23 mm×10 mm，將粘釬料平鋪在厚度為4 mm的鋼板上，釬料兩側用A形夾固定，然后根據(jù)設置的程序切割粘帶狀釬料，釬料的尺寸根據(jù)葉形尺寸沿周向擴寬1.7 mm。加工后的葉形釬料實物如圖2所示。

1.2.2 膏狀釬料制備

將BNi94SiB980-1065粉末狀釬料與三氯乙烯和樹脂的混合物粘結劑按照10∶1的質量比放置在專用器皿內，其中粘結劑質量在±0.2 mm的范圍內調整，然后用玻璃棒攪拌成糊狀，攪拌時間不少于1 min，配置好的釬料需要靜置30 min后才能使用。膏狀釬料制作示意如圖3所示。

1.3 試驗設備及方法

1.3.1 待焊零件的裝配

將切割后的釬料粘貼到蓋板待釬焊面上，粘貼時使用簡易夾具保證釬料葉形孔與蓋板葉形孔相配。釬料粘貼完成后，去掉簡易夾具，用薄鋼片壓實釬料，保證釬料與蓋板緊密貼合，最后取下釬料表面塑料薄膜，將蓋板裝配在葉片盤上，裝配時對齊蓋板的零位孔與葉片盤的零位孔，裝配過程中應戴干凈橡膠手套，不允許赤手拿/摸零件。裝配完成后，用塞尺檢查葉片榫頭位置間隙，塞尺插入量不能過大，以防止釬料破損。裝配后的第二級擴壓器實物如圖4所示。

1.3.2 待焊前后葉片高度測量

葉片高度測量是從零位葉片前緣開始，利用三坐標測量機按照測量前標識數(shù)字從1開始由小到大順時針依次測量，從內徑到外徑，每個葉片在4個不同的直徑處分別測量一點，真空釬焊前將葉片高度控制在7.63±0.02 mm范圍內，真空釬焊后喉道高度控制在7.65～7.71 mm范圍內，從而保證真空釬焊后喉道面積。第二級擴壓器葉片高度測量示意如圖5所示。

1.3.3 真空釬焊過程

將第二級擴壓器與夾具底座一同放入真空釬焊爐中，在石墨底座下方墊石墨墊塊，保證零件高度處于均溫區(qū)中心，然后在零件上放石墨環(huán)，放置內側石墨環(huán)時應注意石墨環(huán)上的槽與葉片榫頭對應，防止石墨環(huán)壓在釬料上，再將配重環(huán)放到石墨環(huán)上。工裝配重示意如圖6所示。

真空釬焊設備采用美國臥式BM2097型號真空釬焊爐，真空室為900 mm×900 mm×1 060 mm。采用釬料牌號為BNi94SiB980-1065，在1 130 ℃/10 min的條件下，真空釬焊沉淀硬化不銹鋼Z8CND17-04材料的第二級擴壓器，真空釬焊熱循環(huán)曲線如圖7所示。

1.3.4 超聲檢測

利用水浸脈沖反射法對第二級擴壓器的真空釬焊接頭進行超聲波檢查，評估真空釬焊釬縫的釬透率。超聲波儀器型號為LS-200LP，探頭頻率為15 MHz。第二級擴壓器真空釬焊接頭的超聲波檢測區(qū)域示意如圖8所示，蓋板和葉片盤的連接區(qū)域為A區(qū)域，A區(qū)域的未焊透長度≤10 mm;蓋板和葉片榫頭的連接區(qū)域為B區(qū)域，B區(qū)域的未焊透長度≤4 mm。

對真空釬焊后的第二級擴壓器試件進行解剖，從零點開始沿圓周間隔120°的位置截取一個釬縫試樣，共截取3個試樣，磨制金相試樣，將制得的試樣進行金相檢測，檢測釬縫組織和釬角尺寸。金相試樣用腐蝕溶液為25 g/L Cu2Cl2+50% C2H5OH+

50%HCl，室溫下腐蝕1～3 min。試樣顯微組織和釬角尺寸檢測設備采用日本OLYMPUS-GX71金相分析儀。

2 試驗結果及分析

2.1 工裝配重對葉片高度的影響

第二級擴壓器真空釬焊前，對葉片盤的葉片高度均控制在7.63 mm的中差值及以下，預留釬縫寬度裕度，其他尺寸均嚴格控制，從而保證真空釬焊后第二級擴壓器組件的釬縫質量和葉片高度（相當于喉道高度），進而滿足組件的尺寸精度。

當工裝配重為56 kg時，如圖9a所示，真空釬焊后在φ350 mm直徑及以上的葉片高度局部位置出現(xiàn)偏高現(xiàn)象，在喉道1的葉片高度出現(xiàn)畸變點，該位置為零位，距臥式真空爐爐門最近，在相同條件下，該位置受熱不均。同時在φ350 mm直徑及以上位置處的工裝配重質量不平衡，導致變形較大，零件翹曲達0.75 mm?？紤]在φ350 mm直徑及以上位置增加配重環(huán)，達到零件自重平衡，控制真空釬焊后變形。

當工裝配重為68 kg時（見圖9b），在φ350 mm直徑仍然變形較大，高溫時外徑接受熱輻射的能力較強，結構復雜變形越大，但在φ380 mm直徑的變形開始減小，變形控制向好的趨勢發(fā)展，零件翹曲由0.75 mm變成0.68 mm。

當工裝配重為82 kg時（見圖9c），葉片高度可以控制在7.65～7.71 mm的范圍內，零件翹曲控制在0.60 mm以內，但葉片（喉道）高度的焦點仍在φ350 mm直徑上，該位置壁厚較薄，抗變形能力較差，尤其是受熱不均時更加明顯，因此要考慮工裝配重在各位置的質量和吸收放熱能力。

當工裝配重為94 kg時（見圖9d），葉片高度可控，零件翹曲控制在0.5 mm以內，葉片高度在φ350 mm直徑及以上位置處的變形大幅減小，由于爐門位置增加密封，爐溫均勻性和系統(tǒng)精度嚴格控制，真空釬焊環(huán)境改善，工裝配重趨于平衡，零件的真空釬焊變形可控，真空釬焊工藝及控制過程趨于穩(wěn)定。

2.2 工裝配重對釬縫質量的影響

根據(jù)第二級擴壓器真空釬焊前后的葉片高度和喉道高度的控制要求，釬縫寬度應控制在10～100 μm之間，釬縫過窄過寬均會影響釬縫的質量和接頭拉伸強度。

采用真空釬焊規(guī)范為1 130 ℃/10 min，不同的工裝配重條件下，在A區(qū)相同直徑的位置處截取金相試樣，評估釬縫內部質量、金相組織和釬縫尺寸。在不同的工裝配重下，釬焊接頭結構均以基體+擴散層+釬縫+擴散層+基體的形式存在，如圖10所示。在工裝配重為56 kg條件下，接頭寬度達到約220 μm，其中釬縫寬度約為163 μm，釬料向母材擴散較均勻，擴散層厚度分別約為30 μm和27 μm，釬透率較低，釬縫中有較大孔洞，如圖10a所示。主要原因是工裝配重不足，間隙不均，造成配重質量不平衡，在短時間內釬料來不及填充，在凝固過程中形成缺陷。同時，真空釬焊接頭較寬，當釬縫太寬時，會形成較多深色鎳的硼化物，并彌散在釬縫中。

當工裝配重為94 kg并平衡配重時，如圖10b所示，接頭寬度約為47 μm，其中釬縫寬度約為19 μm，釬料向蓋板和葉片盤擴散的層厚分別約15 μm和13 μm，擴散層厚均勻。在很短的時間內，母材與釬料互相溶解擴散的過程中，釬料填充飽滿，工裝配重適宜，形成釬縫變窄，釬縫與母材的界面結合良好，獲得釬縫質量良好。

2.3 超聲檢測結果

在工裝配重為94 kg，真空釬焊規(guī)范為1 130 ℃/10 min條件下，對蓋板和葉片盤的連接的A區(qū)域與蓋板和榫頭連接的B區(qū)域進行超聲波檢測。檢測結果如圖11所示，通過檢測發(fā)現(xiàn)釬縫質量良好，A區(qū)域的釬縫光滑，A區(qū)域和B區(qū)域均被釬料填滿，釬透率達到釬透率達到90%以上。

3 結論

真空釬焊第二級擴壓器時，使用自然配重環(huán)作為真空釬焊工裝，經過大量工藝迭代試驗，深入分析了釬縫質量、釬透率以及不同工裝配重對第二級擴壓器真空釬焊質量影響，保證第二級擴壓器真空釬焊質量和尺寸精度。

（1）在真空釬焊規(guī)范1 130 ℃/10 min條件下，隨著工裝配重的增加，由56 kg至94 kg時，第二級擴壓器真空釬焊的釬縫質量和零件翹曲都有所改善。

（2）在相同規(guī)范下，當工裝配重為56 kg時，真空釬焊變形較大，零件翹曲達到0.75 mm，獲得的釬焊接頭寬度較寬，達到163 μm，釬縫質量較差。

（3）當工裝配重達到94 kg時，真空釬焊變形減小，零件翹曲控制在0.5 mm以內，葉片高度可控，獲得釬縫質量良好，接頭寬度約為47 μm，釬透率達到90%以上。

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