擴散焊溫度對GH4169內部流道的影響規律研究

韓芳明，韓昌亮

（1.航天海鷹（哈爾濱）鈦業有限公司，哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

0 引言

近年來，隨著微通道換熱器（簡稱：PCHE）在能源行業的廣泛應用[1-3]，PCHE的工作溫度已經成為動力循環系統通過提高系統參數來提升系統整體性能的主要障礙，尋求具有更高耐溫能力的PCHE的制造方法是能源行業亟待解決的重要工藝問題。

GH4169是我國應用最為廣泛的高溫合金之一[4-5]，具有極高的熱強特性，可以有效地解決PCHE在高溫條件下因強度降低導致設備無法使用的問題。鑒于此，針對PCHE廣泛采用的擴散焊工藝[6-8]，對PCHE的焊接強度和內部流道變形規律進行研究，為高溫PCHE的制造提供試驗指導。

1 材料及試驗方法

本試驗采用撫順特鋼生產的板厚為2 mm的GH4169高溫合金板材，其性能如表1所示。

表1 GH4169參考性能數據表

試驗件采用大小為95 mm×95 mm×2 mm的薄片通過擴散焊制備，薄片具有兩種規格，一種為通過機械加工而成的流道板，如圖1所示，相鄰流道板在使用時需選中90°交替放置；另一種為僅加工有工藝孔的原材料板，如圖2所示。試驗件分為3種：1）試驗件A。由31張平蓋板堆疊在一起經擴散焊制備而成，用于確定GH4169的擴散焊強度。2）試驗件B。由4張流道板和4張平蓋板堆疊在一起經擴散焊制備而成，用于確定GH4169內部流道的變形程度。3）試驗件C。由10張流道板和20張平蓋板堆疊在一起經擴散焊制備而成，用于確定GH4169內部流道的變形規律。

圖1 高溫合金流道試板

圖2 高溫合金平蓋板

首先采用酸洗的方式清洗GH4169薄片，具體步驟如下：1）用10%的NaOH水溶液浸泡薄片30 min，并用海綿清洗薄片表面；2）取出試樣，用清水沖洗；3）按照ψ（HNO3）∶ψ（HF）∶ψ（H2O）=15∶1∶84的配比配置溶液；4）室溫下，薄片在溶液內保持10 min；5）取出試樣，用清水沖洗；6）用干燥的工藝氣吹干薄片。

對試驗件A進行力學性能測試，對試驗件B切割后，觀測內部流道，對試驗件C同時進行力學性能測試和內部流道觀測。采用線切割的方式在試驗件上進行取樣或切割，拉伸試樣和彎曲試樣如圖3和圖4所示，對試驗件B和試驗件C 的切割位置，分別是距離橢圓形匯流口5 mm和15 mm的位置，加工前后的試驗件如圖5和圖6所示。

圖3 拉伸試驗完成圖

圖4 彎曲試驗完成圖

圖5 試驗件加工前示意圖

圖6 試驗件加工后示意圖

2 試驗結果

2.1 表面質量對焊接接頭力學性能的影響

分別對電拋光和酸洗處理的GH4169薄片進行擴散焊接，工藝參數均為：焊接溫度為1200 ℃，焊接壓力為16 MPa，保溫時間為120 min。對試驗件進行本體取樣、拉伸試驗和彎曲試驗，結果如表2所示。

表2 力學性能參數對照表

由表2可知：采用電拋光處理工藝的試驗件1的各項性能參數均低于采用酸洗處理工藝的試驗件的性能參數，且試驗件2的屈服強度、抗拉強度和截面收縮率均達到GH4169板材性能參數的80%。

2.2 擴散焊溫度對焊接接頭力學性能的影響

擴散焊溫度是擴散焊最重要的工藝參數，在一定溫度范圍內，溫度越高，擴散速度越快，結合強度也越大。本試驗以焊接壓力為16 MPa、保溫時間為120 min作為固定焊接參數，對擴散焊溫度分別為1050、1100、1150、1200℃的試驗件進行本體取樣，并進行力學性能試驗，各性能參數如表3所示。

由表3可知：隨著焊接溫度的增大，擴散焊接頭的屈服強度和延伸率逐漸增大，但當焊接溫度超過1150 ℃后，焊縫過熱，晶粒出現粗化，力學性能有所降低，而當焊接溫度低于1100 ℃后，焊縫擴散不充分，連接強度較低，斷面為典型的解理面。擴散焊接頭的抗拉強度對焊接溫度無明顯的影響，數值波動在10%左右，相對于隨爐試樣1100～1200 MPa的抗拉強度，擴散焊接頭的連接強度為母材強度的85%以上。

表3 拉伸試驗參數對比表

2.3 擴散焊溫度對于內部流道的影響

以焊接壓力為12 MPa、保溫時間為120 min作為固定焊接參數，擴散焊溫度分別為1050、1075、1100 ℃對試驗件B進行擴散焊接，對試驗件B進行線切割加工，如圖6所示，試驗件B每排有8個流道，共2排，不同焊接溫度下的流道截面收縮率如圖7和圖8所示。

圖7 近形心截面收縮率變化趨勢圖

圖8 遠形心截面收縮率變化趨勢圖

由圖7和圖8可知：近形心截面的收縮率明顯低于遠形心截面的收縮率，即流道進出口的變形量明顯大于流道內部的變形量；同排流道的截面收縮并無明顯的趨勢，但隨著溫度的升高，流道截面的收縮率逐漸增大，試驗件B每排流道的平均收縮率如表4所示。

表4 流道收縮率對比表

以焊接壓力為12 MPa、焊接溫度為1050 ℃、保溫時間為120 min作為工藝參數對試驗件C進行擴散焊接，經線切割制樣后如圖9所示，各流道的截面收縮率如表5所示。

圖9 試驗件C線切割后示意圖

表5 試驗件C的流道截面收縮率列表

由表5可知：試驗件內部流道上下兩層的收縮率明顯高于內部流道中間部分的收縮，且流道的收縮率從試驗件的中間向兩側逐漸變大，但同層流道的收縮率變化較為一致，無明顯波動。這是由于內部流道板上下兩側的流道板作為阻尼，吸收了部分焊接壓力，降低了內部流道板焊接面上的應力水平，從而降低了內部流道板的應變。

3 結論

本試驗全面研究了擴散焊溫度對于PCHE內部流道的影響規律，主要結論為：1）電拋光工藝將降低GH4169高溫合金的擴散焊連接強度；2）在焊接壓力為16 MPa、保溫時間為120 min條件下，擴散焊接溫度在1100～1150℃之間時，GH4169的擴散焊接頭強度可以達到母材強度的85%以上；3）材質為GH4169的PCHE內部流道截面收縮率隨著擴散焊接溫度的升高而增大；4）PCHE內部流道進口處的截面收縮率大于內部截面收縮率，且沿擴散焊方向，兩側流道的截面收縮率大于內部流道的收縮率。