楊 爍 杜 靜 李文學(xué)
(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,沈陽 110043)
早在上世紀90年代初,美國航天領(lǐng)域的科學(xué)家在研究航天飛機液體燃料渦輪泵的密封問題時,通過試驗發(fā)現(xiàn)蜂窩形狀的密封結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生很好的封嚴效果。于是,蜂窩式密封開始在航天飛機、飛機發(fā)動機及燃氣輪機上得到推廣應(yīng)用。所謂蜂窩結(jié)構(gòu)是將正六邊形的蜂窩孔規(guī)則排列的蜂窩芯釬焊于密封環(huán)內(nèi)表面的組件,蜂窩的規(guī)格(六邊形對邊距離)有 0.8mm、1.6mm、2.5mm 等,蜂窩條帶(六邊形邊)厚度為0.05mm、0.076mm、0.1mm等。蜂窩封嚴結(jié)構(gòu)主要用于軸端密封、級間密封、葉頂密封、透平壓縮機密封和鼓風(fēng)機中的密封等,具有顯著降低密封的泄漏量、有效抑制密封流體激振和有效減振去濕等特點,因此在航空發(fā)動機中和燃氣輪機中為優(yōu)選的封嚴結(jié)構(gòu)。
在重型燃機上,為實現(xiàn)燃氣的有效使用,減小損失,提高燃機的工作效率,在靜止組件與旋轉(zhuǎn)組件之間的氣體封嚴廣泛采用蜂窩封嚴結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的特點是允許轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間存在一定程度的相互干涉和摩擦,而不致?lián)p傷轉(zhuǎn)動部件,具有較好的可磨蝕性,同時還具有抗冷熱疲勞性能和高的熱強性。在重型燃機上有30余封嚴組件采用蜂窩結(jié)構(gòu),封嚴組件中既有扇形段蜂窩封嚴件,也有葉片緣板蜂窩封嚴件,蜂窩的規(guī)格有0.8mm和1.6mm兩種,蜂窩芯與殼體之間的連接采用真空釬焊工藝。本項目針對重型燃機上的蜂窩結(jié)構(gòu)開展了真空釬焊工藝研究工作。
2.1 材料
2.1.1 試驗用材料
試驗所用試樣材料為1Cr18Ni9Ti、GH4708、GH536和K4104合金,試驗所用釬料為 B-Ni73CrSiB-40Ni-S(ВПр11-40Н),為粉末狀釬焊料,粒度為-140目。
2.1.2 試樣結(jié)構(gòu)
拉伸試樣的尺寸為Φ13×33,兩個試棒對接,試棒結(jié)構(gòu)如圖1所示,在對接處放置BNi73CrSiB-40Ni-S(ВПр11-40Н)釬料。
圖1拉伸試樣結(jié)構(gòu)
剪切試樣的尺寸為95×40×2.0(高溫),45×25×2(室溫),兩個試片搭接并用儲能點焊定位,試片結(jié)構(gòu)如圖2所示,在搭接處的一側(cè)放置 B-Ni73CrSiB-40Ni-S(ВПр11-40Н)釬料。
圖2剪切試樣結(jié)構(gòu)
蜂窩結(jié)構(gòu)試樣是將GH536蜂窩釬焊到GH4708、GH536 和 1Cr18Ni9Ti試片上。
2.2 設(shè)備
釬焊試驗是在VEQ5654-6真空釬焊爐中進行的,該設(shè)備的最高工作溫度為1250℃,熱態(tài)真空壓力低于3×10-4乇,漏氣率≤2.0Pa/h。
2.3 工藝
2.3.1 釬焊工藝參數(shù)
釬焊試驗采用的工藝參數(shù)為:以10℃/min的速度升溫至550℃,保溫15min,再以7℃/min的速度升溫至1000℃,保溫20min,最后以5℃/min的速度升溫至1100℃,保溫10min釬焊,焊后隨爐冷卻至1000℃后進行快冷,冷卻到100℃以下試樣出爐,釬焊過程中真空壓力低于4×10-2Pa(充氬快冷時除外)。
蜂窩結(jié)構(gòu)試樣的釬焊工藝程序是將BNi73CrSiB-40Ni-S釬料用特殊粘結(jié)劑制成粘帶狀,粘帶厚度為0.4~0.6mm,將粘帶釬料壓入蜂窩芯格中,采用儲能點焊把蜂窩與試片定位在一起,對裝配后的試樣進行烘干(140℃±10℃,1h),然后將蜂窩結(jié)構(gòu)試樣放入真空釬焊爐中進行釬焊,釬焊參數(shù)同上。
2.3.2 釬焊后加工
試樣釬焊后,將釬焊接頭的拉伸和剪切試樣加工成標準性能試樣,進行接頭的性能測試。蜂窩結(jié)構(gòu)試樣采用線切割的方法進行剖切,并進行金相檢查,檢查蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)部釬焊情況。
2.4 結(jié)果
試樣釬焊后,將釬焊接頭的拉伸和剪切試樣加工成標準性能試樣,進行接頭的性能測試。
釬焊接頭的拉伸和剪切性能測試結(jié)果看,1Cr18Ni9Ti與GH536的釬焊接頭,室溫、500℃、700℃時釬焊接頭的拉伸強度(σb)分別為 319MPa、294 MPa、277 MPa,1Cr18Ni9Ti材料室溫和700℃時的拉伸強度σb≥540MPa和 σb=284MPa,則 1Cr18Ni9Ti與 GH536 的釬焊接頭的強度系數(shù)約為59%和97%;GH4708與GH536的釬焊接頭,室溫、500℃、700℃時釬焊接頭的拉伸強度(σb)分別為345mPa、295 mPa、225 mPa,GH536 材料室溫和 700℃時的拉伸強度σb≥725mPa和σb=435mPa,GH4708與GH536的釬焊接頭的接頭強度系數(shù)約為48%和52%;K4104與GH536的釬焊接頭,室溫、500℃、700℃時釬焊接頭的拉伸強 度 (σb) 分 別 為 437mPa、347 mPa、340 mPa,與GH536材料室溫和700℃時的強度相比,K4708與GH536的釬焊接頭的接頭強度系數(shù)約為60%和78%。由上述分析結(jié)果看,不同材料組合的釬焊接頭強度系數(shù)有所不同,主要是由于各種材料本身的強度不同造成的,但在同一溫度下,各種材料組合的釬焊接頭均有較好的強度,同時1Cr18Ni9Ti與GH536、GH4708與GH536的釬焊接頭在室溫、500℃、700℃時也具有較好的剪切強度。
從金相照片上看,蜂窩與試片的焊接質(zhì)量很好,釬料潤濕試片并填充釬焊間隙,蜂窩條帶厚度沒有減薄,說明釬料B-Ni73CrSiB-40Ni-S(ВПр11-40Н)在確定的工藝參數(shù)下對GH536合金沒有溶蝕傾向,能夠滿足蜂窩結(jié)構(gòu)的釬焊要求。
4.1 用 B-Ni73CrSiB-40Ni-S(ВПр11-40Н)釬料釬焊(1Cr18Ni9Ti、GH536、GH4708)與GH536合金,其釬焊接頭室溫和高溫下具有較好的瞬時抗拉強度和抗剪強度,在確定的釬焊工藝參數(shù)下,釬料對GH536蜂窩材料無溶蝕傾向。
4.2 采用確定的釬焊工藝程序,能夠釬焊出滿足使用要求的蜂窩結(jié)構(gòu)零件。
[1]張啟運,莊鴻壽.釬焊手冊.[M]北京:機械工業(yè)出版社,2008(09).
[2]航空制造工程手冊--焊接分冊