趙海生， 潘 暉， 張學軍， 劉永超

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

保溫時間對K452高溫合金釬焊接頭組織與性能的影響

趙海生， 潘 暉， 張學軍， 劉永超

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

采用鈷基釬料及鎳基合金粉料，分別在1170℃保溫10min、60min和120min的釬焊工藝下，對K452鎳基鑄造高溫合金進行真空釬焊實驗，通過掃描電鏡和能譜分析儀進行了接頭顯微組織觀察與物相分析，并測試釬焊接頭的高溫力學性能。結(jié)果表明：在保溫60min的工藝規(guī)范下，界面實現(xiàn)較好的結(jié)合，釬縫內(nèi)部孔洞缺陷較少，釬縫組織均勻，有利于釬焊接頭性能的提高；在更長的保溫時間120min下，釬縫內(nèi)部又有蝕孔缺陷形成，且較多的白色塊狀化合物在合金粉顆粒間聚集長大，但界面結(jié)合良好，釬焊接頭性能較高，900℃抗拉強度達到400MPa，900℃/100MPa持久壽命為141h55min。

K452高溫合金；鈷基釬料；鎳基合金粉；微觀組織；拉伸性能

K452鎳基鑄造高溫合金是一種高鉻合金，具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能，用于制造船用燃氣輪機和工業(yè)重型燃氣輪機的導向葉片[1,2]。

與航空發(fā)動機一樣，要實現(xiàn)燃機的大容量、高效率、高性能，提高渦輪前進口溫度是最重要的發(fā)展途徑之一，渦輪前進口溫度已由發(fā)展初期的600～700℃增至1500℃，定向凝固及單晶技術(shù)已用于燃氣輪機渦輪葉片的制作，此外燃氣輪機工作環(huán)境惡劣，葉片尺寸大，因此制作難度大，成品率低，急需鑄件缺陷修復(fù)技術(shù)。現(xiàn)大量在役燃氣輪機陸續(xù)進入維修階段，失效葉片換新成本高、換新周期長，實現(xiàn)對其修復(fù)，不但能夠降低換新成本和縮短換新周期，還能節(jié)約大量貴金屬資源。

燃氣輪機葉片的修復(fù)方法主要采用熔焊和釬焊的方法。熔焊修復(fù)是應(yīng)用比較廣泛的一類修復(fù)方法，氬弧焊[3]、等離子電弧焊、激光焊[4]、微弧火花焊[5,6]等均屬于此類。這類方法一般用于鋁鈦含量低的鎳基高溫合金及鐵基合金，而對于Al+Ti含量較高的焊接性差的材料，焊接過程即產(chǎn)生焊縫熱裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋[7～9]。

釬焊修復(fù)技術(shù)在20世紀70年代首先被英國歐洲航空公司(BEA)的C.J.Baker應(yīng)用于發(fā)動機部件的修復(fù)，并取得了成功，隨后又相繼發(fā)展了真空釬涂技術(shù)、活化擴散愈合法(ADH)、活性擴散釬焊(ABD)[10]、瞬時液相擴散焊(TLP)[11,12]、大間隙釬焊[13～15]等，且均已成功應(yīng)用于某些渦輪發(fā)動機零部件的修復(fù)。

釬焊修復(fù)技術(shù)為整體加熱，零件變形小，可克服熔焊工藝的局部加熱易引起不均勻熱收縮的不足，一次釬焊可同時修復(fù)多條裂紋、多個葉片，生產(chǎn)效率高。目前國際上常用于高溫合金材料細小裂紋的修復(fù)與尺寸不足的再制造。

本工作針對某燃氣輪機渦輪導向葉片用K452高溫合金開展真空釬焊保溫時間對K452釬焊接頭組織與性能影響的研究，為燃氣輪機渦輪導向葉片鑄造缺陷及服役后產(chǎn)生裂紋、燒蝕等缺陷的修復(fù)提供科研參考和技術(shù)儲備。

1 實驗材料及方法

實驗用K452鎳基鑄造高溫合金是一種高鉻合金，具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能，其化學成分見表1，技術(shù)指標要求900℃/200MPa持久壽命不低于50h，900℃高溫抗拉強度451MPa。實驗用填料為-150～+300目鎳基合金粉，釬料為Co-Ni-Cr系釬料，并含有少量W及降熔元素Si和B，釬焊溫度1170℃，保溫時間分別為10min，60min和120min。

根據(jù)葉片實際缺陷類型和一般情況，選擇45°坡口對接形式的試樣。為了便于實驗，焊前采用電火花線切割機床將母材切成兩種尺寸的試樣，分別用于組織觀察和力學性能測試，如圖1所示，對待焊表面進行機械清理、砂紙打磨，直至露出清潔表面，并用丙酮清洗。在適宜的釬焊規(guī)范下，采用ZKH-1型真空擴散焊爐對組織和性能試樣進行真空釬焊連接，釬焊時的熱態(tài)真空壓強不高于5×10-2Pa。采用JSM-5600LV掃描電鏡和INCA350X射線能譜儀對圖1a中組織試樣截面進行微觀組織觀察及物相分析。焊后對圖1b試樣進行機械加工，至圖2所示形式進行900℃高溫拉伸強度測試和900℃/100MPa高溫持久壽命測試。

圖1 組織和性能釬焊試樣示意圖 (a)組織觀察試樣；(b)性能測試試樣Fig.1 Brazing specimens for microstructure observation (a) and mechanical property testing (b)

圖2 性能測試試樣Fig.2 Specimen for mechanical property testing

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 接頭微觀組織演變

由圖3可見，在1170℃/10min的釬焊工藝規(guī)范下，釬縫內(nèi)有較多尺寸較大的孔洞，可能原因是保溫時間較短，釬料流動不足，合金粉顆粒間的間隙無法完全填充。且釬縫與母材界面處反應(yīng)程度不夠，結(jié)合較弱，局部出現(xiàn)未焊合現(xiàn)象。釬焊接頭主要由母材、反應(yīng)擴散區(qū)、釬縫組成。由于母材與填料之間的溶解、擴散反應(yīng)不充分，致使擴散反應(yīng)區(qū)較窄，且與母材組織無明顯的過渡層，因此母材與填料界面處存在組織突變，界面結(jié)合弱，為接頭薄弱環(huán)節(jié)。

釬縫主要由高熔點合金粉顆粒和顆粒間的釬料組織構(gòu)成。由于保溫時間較短，合金粉顆粒保持著清晰的球狀輪廓，合金粉顆粒內(nèi)部彌散分布著較多的灰色細小顆粒相。合金粉顆粒間則主要為釬料組織，鈷基固溶體和白色小塊狀化合物。

圖3 1170℃/10min釬焊接頭微觀組織 (a)接頭形貌；(b)釬縫/母材界面；(c)釬縫中心Fig.3 Microstructure of the joint brazed at 1170℃ for 10min (a)the whole joint； (b)interface of brazing seam and base metal；(c)brazing seam center

將保溫時間延長至60min，接頭形貌如圖4所示，釬縫內(nèi)孔洞缺陷明顯減少，且尺寸也相對較小。釬焊接頭同樣由母材、擴散反應(yīng)區(qū)、釬縫組成。釬縫同樣由合金粉顆粒和顆粒間的釬料組織組成。當保溫時間較長時，釬料與母材及合金粉顆粒之間擴散、溶解反應(yīng)相對更充分，合金粉顆粒輪廓變得模糊，合金粉內(nèi)的細小顆粒數(shù)量減少、但有聚集長大傾向，釬料組織白色小塊狀化合物數(shù)量較少，釬縫組織相對均勻，有利于釬焊接頭綜合性能的提高。母材與釬縫界面結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)未焊合缺陷，但界面兩側(cè)組織差異較大，未能實現(xiàn)均勻連續(xù)的過渡組織，仍為釬焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

當保溫120min時，釬縫內(nèi)部同樣存在孔洞缺陷，但分布較均勻，見圖5。釬焊接頭也是由母材、擴散反應(yīng)區(qū)、釬縫三部分組成。此時釬縫組織內(nèi)合金粉顆粒輪廓已不明顯，合金粉顆粒與釬料組織之間反應(yīng)更充分，合金粉顆粒內(nèi)部灰白色小顆粒明顯減少，但尺寸相對較大，并且較多的白色塊狀化合物在合金粉顆粒間即釬料組織內(nèi)聚集析出，尺寸相對較大，這對接頭性能也是不利的。母材與釬縫界面結(jié)合良好，界面反應(yīng)更充分，促進界面過渡組織的形成，有利于接頭性能的提高。

圖4 1170℃/60min釬焊接頭微觀組織 (a)接頭形貌；(b)釬縫/母材界面；(c)釬縫中心Fig.4 Microstructure of the joint brazed at 1170℃ for 60min (a)the whole joint； (b)interface of brazing seam and base metal；(c)brazing seam center

圖5 1170℃/120min釬焊接頭微觀組織 (a)接頭形貌；(b)釬縫/母材界面；(c)釬縫中心Fig.5 Microstructure of the joint brazed at 1170℃ for 120min (a)the whole joint； (b)interface of brazing seam and base metal；(c)brazing seam center

由于合金粉在1170℃的釬焊溫度下保持固態(tài)，不但作為骨架填充間隙、形成毛細，而且顯著增加形核面積，且粉間間隙小，釬焊后冷卻時初生固溶體無足夠空間發(fā)展為枝狀，成分偏析小，有利于消除或生成斷續(xù)分布的小塊狀化合物相，使得釬縫組織得到明顯改善，從而提高接頭性能[14]。但由于釬焊所需合金粉量較多，釬料相對不足，液態(tài)釬料無法填滿合金粉顆粒間隙，同時在釬焊后冷卻過程中產(chǎn)生凝固收縮，使得釬縫中存在少量孔洞。合金粉顆粒內(nèi)部在高溫下也會產(chǎn)生縮孔缺陷。孔洞的存在將在一定程度上降低接頭的使用性能。

因此，以上三種規(guī)范下，較短的保溫時間不能使界面形成良好的結(jié)合，釬料與母材及合金粉顆粒未能實現(xiàn)充分反應(yīng)，結(jié)合較弱，且釬縫內(nèi)部孔洞缺陷多；在1170℃保溫60min的工藝規(guī)范下，界面實現(xiàn)良好的結(jié)合，釬縫內(nèi)部孔洞缺陷變少，釬縫組織均勻，有利于釬焊接頭性能的提高；在更長的保溫時間下，釬縫內(nèi)部孔洞缺陷分布較均勻，且較多的白色塊狀化合物在合金粉顆粒間聚集長大，但界面形成良好的過渡組織，有利于接頭性能的提高。

2.2 釬焊接頭物相分析

圖6所示為K452高溫合金45°坡口釬焊試樣典型接頭背散射照片，釬縫內(nèi)合金粉顆粒內(nèi)部及顆粒間均以固溶體為主，合金粉顆粒間分布著少量的白色小塊狀化合物(圖6a中1處)，合金粉顆粒內(nèi)存在較多的灰色和灰白色顆粒短棒狀化合物相，分別見圖6b中2和3處。為了進一步判斷釬縫組織物相組成，對合金粉顆粒間和合金粉顆粒內(nèi)固溶體基體(4和5處)及三種典型物相進行能譜分析，分析結(jié)果如表2所示。合金粉顆粒間的白色小塊應(yīng)為富W，Cr的硼化物[13]，合金粉顆粒內(nèi)灰色顆粒也為富W硼化物，但含有較多的Cr元素，而白色顆粒含有更多的W元素，應(yīng)為“MC”型碳化物[14,16]。而合金粉顆粒間及顆粒內(nèi)部的固溶體基體均為Ni-Co基固溶體，并溶解一定量的Cr，Al，Si和Ti等元素。

圖6 K452高溫合金45°坡口典型接頭組織背散射照片 (a)釬縫/母材界面；(b)釬縫中心Fig.6 BEIs of typical 45°groove K452 brazed joint (a)interface of brazing seam and base metal；(b)brazing seam center

表2 釬縫內(nèi)典型化合物能譜分析結(jié)果

2.3 接頭力學性能測試

根據(jù)母材合金應(yīng)用情況和測試標準，對三種規(guī)范下的釬焊接頭進行900℃高溫抗拉強度測試，測試結(jié)果如圖7所示。在1170℃/10min釬焊規(guī)范下，保溫時間較短，釬料與母材作用不充分，無法形成良好的結(jié)合，接頭高溫抗拉強度測試值分散，平均值為315MPa，僅為母材性能(900℃，451MPa)的70%。在1170℃/60min釬焊規(guī)范下，較長時間的保溫使得液態(tài)釬料與母材作用充分，界面結(jié)合良好，有利于提高接頭強度，接頭強度值比較均勻，平均強度400MPa，達到母材性能的89%。在更長的保溫時間下，高溫抗拉強度與1170℃/60min規(guī)范下接頭性能相當，平均值同樣為400MPa，但強度值更均勻。這結(jié)果也是與前述組織分析相吻合的。

根據(jù)前述組織分析和高溫抗拉強度測試結(jié)果，較短的保溫時間不足以形成良好的接頭組織，高溫抗拉強度不高且分散性大。因此，后續(xù)僅測試了1170℃/60min和1170℃/120min釬焊規(guī)范下接頭的高溫持久壽命。1170℃/60min 的規(guī)范下，釬焊接頭900℃/100MPa持久壽命測試值同樣較分散，平均值達到133h/37min；1170℃/120min規(guī)范下，接頭持久壽命平均值達到141h/55min，為本實驗達到的最高值，測試結(jié)果見圖8。

圖7 不同保溫時間下釬焊接頭900℃抗拉強度測試結(jié)果Fig.7 900℃ tensile strength testing results of brazed joints under different holding-time at 1170℃

圖8 兩種保溫時間下釬焊接頭900℃/100MPa持久壽命測試結(jié)果Fig.8 900℃/100MPa creep rapture life testing results of brazed joints under two holding-time at 1170℃

圖9 典型試樣斷裂位置Fig.9 Fracture position of specimen

采用合金粉填充接頭間隙的方式，獲得均勻、細小的固溶體組織，顆粒狀或小塊狀化合物彌散分布強化接頭性能，因此高溫抗拉強度和高溫持久性能均獲得較好的結(jié)果。但根據(jù)前述微觀組織分析，坡口結(jié)合面兩側(cè)存在明顯的組織突變，為釬焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)，所有性能測試試樣均斷于一側(cè)坡口結(jié)合面處，斷口較平整，典型試樣斷裂位置如圖9所示?？梢?，釬縫內(nèi)的微小孔洞對于接頭性能的影響不是最主要的。釬縫與母材界面結(jié)合質(zhì)量才是影響K452合金釬焊接頭性能的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

(1)采用鎳基合金粉和Co-Cr-Ni系鈷基釬料對K452高溫合金45°坡口對接試樣進行真空釬焊工藝實驗，釬焊接頭界面結(jié)合良好，釬縫組織主要以固溶體為主，小塊狀白色富W硼化物分布于合金粉顆粒間，細小顆粒狀灰色富W，Cr的硼化物和白色富W碳化物彌散分布于合金粉顆粒內(nèi)部。

(2)較短的保溫時間不能使界面形成良好的結(jié)合，釬縫內(nèi)部孔洞缺陷多；當保溫時間延長至60min，界面實現(xiàn)良好的結(jié)合，釬縫內(nèi)部孔洞缺陷最少，釬縫組織均勻；在更長的保溫時間下，釬縫內(nèi)部又有蝕孔缺陷形成，且較多的白色塊狀化合物在合金粉顆粒間聚集長大，但界面形成良好的過渡組織，有利于接頭性能的提高。

(3)在1170℃/10min釬焊規(guī)范下，釬焊接頭900℃抗拉強度為315MPa，隨保溫時間的延長，900℃抗拉強度升高，在1170℃/60min和1170℃/120min釬焊規(guī)范下均達到400MPa，達到母材標準的89%；1170℃/60min釬焊接頭900℃/100MPa持久壽命133h37min， 1170℃/120min釬焊接頭持久壽命最高，為141h55min，界面結(jié)合質(zhì)量決定了接頭的力學性能。

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Effect of Holding Time on Microstructure and MechanicalProperties of K452 Superalloy Brazed Joints

ZHAO Hai-sheng, PAN Hui, ZHANG Xue-jun, LIU Yong-chao

(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Vacuum brazing of K452 superalloy was performed with cobalt-base filler metal and nickel-base superalloy powder under brazing conditions of 1170℃/10min, 1170℃/60min and 1170℃/120min respectively. The microstructure of brazed joints was analyzed by using SEM and EDS, and the high-temperature mechanical properties were also studied. The results show that the sound joints with fine microstructure and rare pores are achieved under 1170℃/60min brazing procedure, due to the good quality of interface. The joints braze under 1170℃/120min show the highest mechanical properties because of better interface quality, the average 900℃ tensile strength of 400MPa and 900℃/100MPa stress-rupture life of 141h/55min. But there morepoles are presented, and many white particles of compound congregated and grow up between the nickel-base superalloy powder in the brazing seam.

K452 superalloy; cobalt-base filler metal; nickel-base superalloy powder; microstructure; mechanical property

2014-10-22；

2014-11-25

趙海生(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事新型航空材料及復(fù)雜構(gòu)件的釬焊與擴散焊，(E-mail)zhaohs@yeah.net。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.008

TG454 TG146.1+5

A

1005-5053(2015)03-0043-06