王志平，肖慧玥，孫宇博

(中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300)

1 引言

高溫合金具有優(yōu)異的高溫性能，廣泛應(yīng)用于核電、石油化工、運(yùn)輸、能源、航空航天等各種工程領(lǐng)域。鎳基高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中主要用于燃燒室、高低壓渦輪葉片和渦輪盤(pán)等部件中，被稱(chēng)作“先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)基石”。在高溫高壓以及沖刷腐蝕的作用下，熱端部件易產(chǎn)生熱疲勞裂紋及熱燒蝕等損傷，為了延長(zhǎng)使用時(shí)間需要對(duì)損傷部位進(jìn)行維修，特別是高低壓渦輪葉片的裂紋損傷僅能采用高溫釬焊的方式進(jìn)行維修，高溫釬焊現(xiàn)已發(fā)展成為高溫合金零部件制造和修復(fù)的重要連接技術(shù)，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，熱端部件的工作溫度越來(lái)越高，對(duì)連接技術(shù)的要求變得更高，焊接技術(shù)也受到了更大的重視。

2 研究現(xiàn)狀

高溫釬焊連接溫度一般高于900 ℃，且所使用釬料的液相線(xiàn)與母材的液相線(xiàn)溫度相差較小，母材和釬料之間存在元素互擴(kuò)散并會(huì)影響母材的性能。因此釬料的種類(lèi)和釬焊工藝對(duì)于高溫釬焊的接頭質(zhì)量有重要影響。

影響高溫釬焊的參數(shù)有很多，包括釬料成分、釬焊溫度、保溫時(shí)間及保護(hù)氣氛等都會(huì)對(duì)焊接接頭的組織性能產(chǎn)生影響；同時(shí)隨著計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展，基于第一性原理等計(jì)算原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合來(lái)驗(yàn)證高溫釬料成分的合理性、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的研究方法也逐漸受到重視，本文將從釬料成分、焊接工藝以及材料計(jì)算模擬等方面對(duì)近年來(lái)高溫釬焊的發(fā)展進(jìn)行歸納梳理。

2.1 釬料成分及制備

釬焊時(shí)焊件是通過(guò)將釬料加熱至熔化溫度后利用液態(tài)釬料填充焊縫進(jìn)而固相連接的，在釬焊過(guò)程中釬料的性質(zhì)及其與母材之間的相互作用是影響焊接接頭處組織性能的重要因素。

釬料成分

高溫釬焊的焊件通常在高溫狀態(tài)下工作，要求焊接后的接頭具有良好的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，因此釬料中常添加有Mn、Co、W等金屬元素，以此來(lái)改善釬焊接頭的性能。孫磊通過(guò)添加合金元素Cu來(lái)改進(jìn)BNi7鎳基釬料，相比于傳統(tǒng)的BNi7釬料，改進(jìn)的釬料隨著Cu元素的增加，不僅釬料的潤(rùn)濕前沿有明顯的前驅(qū)膜存在，提高了釬料的潤(rùn)濕性，還降低了釬料中P與Ni、Cr等金屬元素所形成得硬脆相的含量，有利于提升釬焊接頭的力學(xué)性能。

此外，高溫釬焊的釬料中常添加一些元素來(lái)降低其熔點(diǎn)，使釬料的液相線(xiàn)溫度低于母材的液相線(xiàn)溫度，目前常見(jiàn)的降熔元素多為非金屬元素Si、B等。降熔元素的添加能夠顯著降低釬料的熔點(diǎn)，但也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的問(wèn)題，如Si原子尺寸較大，擴(kuò)散速度較慢，擴(kuò)散不充分時(shí)容易形成脆性相，當(dāng)Si在鎳基釬料中的含量較高時(shí)，就會(huì)使焊接接頭的韌性和塑性下降，從而導(dǎo)致焊接接頭的抗疲勞能力降低。葉雷等分別以Hf、Zr、Hf+Zr為降熔元素替代標(biāo)準(zhǔn)鎳基釬料中的Si和B設(shè)計(jì)了3種釬料，與Si、B相比，雖然Hf和Zr的原子尺寸更大，擴(kuò)散速度慢，但Hf和Zr與Ni形成的化合物具有一定的延性，且在短時(shí)間的釬焊過(guò)程中，熔蝕更小。3種釬料的性能參數(shù)如表1所示，研究結(jié)果表明Hf元素降低釬料硬度效果比Zr元素明顯，便于釬料的加工和制備成型，且Hf元素的添加使釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕鋪展能力要強(qiáng)于單獨(dú)添加Zr元素的釬料，而Zr元素的降熔效果要強(qiáng)于Hf元素的降熔效果，以Hf+Zr為降熔元素的釬料不僅兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，焊接接頭性能也是三者中最接近母材性能的，最高可以達(dá)到90%以上。

表1 3種不同降熔元素的釬料的相關(guān)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of three kinds of solder with different melting-down elements

Britta Laux等則選擇使用Mn替代鎳基釬料中的B和Si，將釬料改進(jìn)為Ni-Mn系的釬料，相較于使用Hf或Zr元素做為降熔元素，由于Ni和Mn之間是完全互溶的，在這種情況下，完全避免了作為雜散晶粒形核位點(diǎn)的次生相的形成，改善了以B或Si為降熔元素的釬料對(duì)于寬間隙修復(fù)中填充速度慢、易形成硬脆相等缺點(diǎn)。同時(shí)當(dāng)B和Si被Mn取代時(shí)，由于外延凝固不是完全由擴(kuò)散控制，還可以通過(guò)冷卻控制，釬焊保溫時(shí)間也可以顯著縮短。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，氧化物彌散(oxide dispersion strengthened,ODS)高溫合金的應(yīng)用越來(lái)越廣，ODS高溫合金是通過(guò)機(jī)械合金化工藝將納米級(jí)的氧化物均勻分布在基體材料中，并在基體中起著彌散強(qiáng)化作用的合金材料，具有熔點(diǎn)高、比重低、線(xiàn)膨脹系數(shù)低、抗高溫氧化及腐蝕性能突出、高溫持久性能優(yōu)異等極好的高溫性能，常見(jiàn)Ni基ODS高溫合金化學(xué)成分如表2所示，目前已應(yīng)用于航空航天、能源等領(lǐng)域。ODS合金進(jìn)行連接時(shí)為了不破壞母材內(nèi)部的彌散氧化物的分布、減少氧化物微粒從母材中分離出來(lái)、最大限度的保護(hù)母材內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)，連接過(guò)程中始終保持母材為固相狀態(tài)的釬焊成為了較優(yōu)的選擇?；窜婁h等對(duì)ODS合金MGH956的可焊性進(jìn)行了研究，氬弧焊、電子束焊和真空釬焊3種焊接方式獲得的焊接接頭的室溫力學(xué)性能相當(dāng)，但就MGH956合金焊接接頭來(lái)說(shuō)，相較于氬弧焊和電子束焊，釬焊更加有助于焊接接頭高溫強(qiáng)度的提高。在淮軍鋒研究的基礎(chǔ)上，敖敬培設(shè)計(jì)并制備出5種不同Mn、Ni含量的新型Cu-Mn-Ni-Co釬料用于釬焊MGH956型號(hào)ODS合金。研究發(fā)現(xiàn)，隨釬料中Mn含量的增加釬焊接頭處的σ-MnCo硬脆相增多，降低了釬料的塑性，不利于釬料的加工形變。通過(guò)DSC分析和鋪展性試驗(yàn)可知，5種新型Cu-Mn-Ni-Co釬料當(dāng)中含有30 wt.% Mn、10 wt.% Ni的釬料不僅熔化區(qū)間較窄，而且對(duì)母材的鋪展和潤(rùn)濕性能都更好，是5種釬料中的最佳配比。而隨著釬焊溫度和保溫時(shí)間的增加，釬縫中存在的微孔型缺陷逐漸增加，推測(cè)其產(chǎn)生原理為：釬焊過(guò)程中母材中析出的的YO顆粒和表面剝落的AlO顆粒共同進(jìn)入到了釬縫熔化狀態(tài)的釬料中，由于線(xiàn)膨脹系數(shù)的不同，在釬料凝固過(guò)程中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生了微孔。

表2 Ni基ODS高溫合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 2 Chemical composition of Ni-based ODS superalloy

釬料的制備

為了適應(yīng)各種釬焊的條件，以及生產(chǎn)加工需求，釬料常加工成帶狀、絲狀、鑄棒狀、非晶或普通箔狀、粉末狀、環(huán)形、糊狀等。在實(shí)際的釬焊過(guò)程中，合理選擇釬焊材料的幾何形狀，可簡(jiǎn)化釬焊工藝，提高釬焊質(zhì)量。潘暉等對(duì)膏狀、帶狀和粘帶狀3種形態(tài)的BNi82CrSiB釬料的對(duì)焊接接頭組織性能的影響進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：釬料的使用形態(tài)對(duì)于焊接接頭的組織無(wú)明顯影響，但會(huì)影響釬焊接頭的性能，其中使用粉末釬料因?yàn)殇佌垢奖?，粘結(jié)劑相對(duì)更容易揮發(fā)所以釬焊接頭的強(qiáng)度是三者中最高的。

崔彤等研究新型鎳基釬料的組織與性能時(shí)采用快速凝固技術(shù)的熔體旋轉(zhuǎn)法制得了尺寸穩(wěn)定、厚度均勻、長(zhǎng)達(dá)幾米至幾十米的連續(xù)薄帶的鎳基釬料，研究表明，該技術(shù)獲得的自制釬料相較于國(guó)外先進(jìn)釬料不僅鋪展性和潤(rùn)濕程度更好，填縫性也更加優(yōu)良，填縫的長(zhǎng)度也得到了提高。朱建勇對(duì)BNi2釬料粉末的氣霧化生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，討論了不同氣霧化參數(shù)對(duì)于釬料粉末質(zhì)量的影響，并對(duì)釬料粉末的制備工藝提出了一定的建議。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)惰性氣體作為霧化介質(zhì)生產(chǎn)的釬料粉末氧含量降低、鋪展性能和填縫性能都得到了提升，制備出的釬料已經(jīng)成功運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

Bridges Denzel等研究制備了新型鎳基納米釬料對(duì)718鎳鐵合金進(jìn)行焊接。與傳統(tǒng)釬料相比，納米釬料具有以下優(yōu)點(diǎn)，一是因?yàn)榧妓?湯普森效應(yīng)，納米材料表現(xiàn)出固有的熔點(diǎn)降低，粒子的熔點(diǎn)隨著粒子直徑的減小而減小，因此不需要添加硼和硅這樣的降熔元素，消除了硼和硅與金屬元素形成的硬脆相對(duì)釬焊接頭產(chǎn)生的負(fù)面影響。二是由于納米顆粒的比表面積增大，釬料的潤(rùn)濕性能也有極大的提高。實(shí)驗(yàn)中分別制備了鎳的納米顆粒釬料、納米線(xiàn)釬料、納米顆粒和納米線(xiàn)的混合釬料3種形態(tài)的釬料進(jìn)行釬焊，與純納米顆粒釬料相比，純納米線(xiàn)釬料的焊接接頭的強(qiáng)度更低，而納米顆粒和納米線(xiàn)的混合釬料焊接得到的釬焊接頭是三者中性能最好的。三者焊接接頭性能的不同推測(cè)是納米線(xiàn)和納米顆粒釬料分別與母材形成的接觸角不同造成的擴(kuò)散差異導(dǎo)致的。同時(shí)還對(duì)二者的擴(kuò)散系數(shù)通過(guò)哈氏方程和Sauer-Friese分析方法分別進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)于納米顆粒釬料，通過(guò)修正的哈氏方程計(jì)算得到的擴(kuò)散系數(shù)與Sauer-Friese分析方法計(jì)算得到的擴(kuò)散系數(shù)一致，但對(duì)于納米線(xiàn)釬料，Sauer-Friese分析方法計(jì)算的擴(kuò)散系數(shù)僅僅主要考慮了晶界擴(kuò)散的控制，而實(shí)際中納米線(xiàn)釬料的瞬態(tài)液相擴(kuò)散還與尺寸有關(guān)，實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)明顯高于通過(guò)修正的哈氏方程計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值，上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步解釋了使用納米線(xiàn)釬料會(huì)提高釬焊強(qiáng)度的原因。

2.2 焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)包含釬焊溫度、保溫時(shí)間等多個(gè)方面，是影響釬焊焊接接頭組織性能的重要因素。單從擴(kuò)散的角度，根據(jù)阿倫尼烏斯方程分析釬焊過(guò)程，釬焊過(guò)程中的元素?cái)U(kuò)散與釬焊溫度存在指數(shù)關(guān)系，釬焊溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散越容易進(jìn)行；而保溫時(shí)間對(duì)釬焊過(guò)程中合金材料的等溫凝固過(guò)程和焊接接頭的均勻化都具有重要的作用。

釬焊溫度

釬焊接頭元素的擴(kuò)散隨釬焊溫度的變化呈現(xiàn)不同的變化，各種化合物的比例也隨之改變。在選擇釬焊溫度時(shí)，主要考慮的是釬料的熔化性能和與母材的交互作用，因此焊接溫度應(yīng)適當(dāng)高于釬料的熔點(diǎn)，有利于釬料的熔化、鋪展、潤(rùn)濕和填隙，但過(guò)高的釬焊溫度會(huì)使母材的性能發(fā)生變化，如引起低沸點(diǎn)成分的蒸發(fā)，母材的再結(jié)晶及晶粒粗大，釬料中的某些成分的快速擴(kuò)散導(dǎo)致接頭處母材出現(xiàn)熔蝕現(xiàn)象等。黃麟研究了鎳基高溫合金蜂窩結(jié)構(gòu)在不同釬焊溫度下的接頭力學(xué)性能的變化以及熔蝕的影響。在一定范圍內(nèi)，隨釬焊溫度的升高，焊接接頭的抗剪強(qiáng)度先增大后減小，主要原因就是隨著焊接溫度的升高，焊縫中心的化合物相和共晶相數(shù)量降低，焊接接頭組織結(jié)構(gòu)趨于均勻化，這使得抗剪強(qiáng)度的逐漸增大，但隨著溫度的升高，焊接接頭內(nèi)部晶界逐漸消失，有第二相長(zhǎng)大的傾向，抗剪強(qiáng)度也隨之出現(xiàn)下降趨勢(shì)。А.Ivannikov等使用鎳基STEMET 1301A釬料對(duì)12Kh18N10T鋼進(jìn)行高溫釬焊，在實(shí)驗(yàn)前使用Thermo-Calc計(jì)算釬料在400～1 300 ℃中的相組成如圖1所示，通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和熱力學(xué)計(jì)算確定的釬料液相線(xiàn)溫度分析的結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)釬焊溫度較低時(shí)，擴(kuò)散不充分，易產(chǎn)生脆性相，而釬焊溫度超過(guò)1 100 ℃后，釬焊接頭的晶粒尺寸顯著增大，釬焊接頭強(qiáng)度下降，當(dāng)釬焊溫度和保溫時(shí)間分別為1 070～1 100 ℃和15～40 min時(shí)，更易獲得高溫下高強(qiáng)度的釬焊接頭。

圖1 在400～1 300 ℃范圍內(nèi)的Thermo-Calc相圖Fig.1 Thermo-calc phase diagram in the temperature range of 400～1 300 ℃

經(jīng)敬楠在使用BNi7釬料真空釬焊多種不同金屬母材的擴(kuò)散行為研究的過(guò)程中也涉及到了釬焊溫度對(duì)焊接接頭的影響，對(duì)比了930 ℃和980 ℃兩種釬焊溫度工藝下的接頭組織和性能，低溫時(shí)焊接接頭處易出現(xiàn)孔洞，推測(cè)是不同相的熔點(diǎn)不同，導(dǎo)致固液相共存并影響了釬料的潤(rùn)濕性。另外釬焊接頭處的脆性相顯微硬度最高，較高的釬焊溫度能夠減少脆性相的生成，從而顯著降低接頭處的總體顯微硬度峰值，提高釬焊接頭的性能。

石昆結(jié)合菲克第二定律和液固界面遷移理論從熔融擴(kuò)散的角度分析了釬焊溫度對(duì)等溫凝固時(shí)間的影響，獲得了等溫凝固時(shí)間()與釬焊溫度()的關(guān)系式：

(1)

式中:為初始釬料層的半寬度，、分別為中間層和母材中溶質(zhì)的初始濃度，為固相向液相轉(zhuǎn)變的溶質(zhì)濃度，和分別為擴(kuò)散常數(shù)和氣體常數(shù)，為擴(kuò)散激活能。

由式(1)可以直觀(guān)的看到隨著釬焊溫度的升高，等溫凝固時(shí)間減少，釬料中各種元素更容易擴(kuò)散均勻、充分，減少共晶相、金屬間化合物的生成，增加固溶體的生成，提高了釬焊接頭處的綜合力學(xué)性能，從理論的方面解釋了釬焊接頭組織成分、相關(guān)性能與釬焊溫度之間的關(guān)系。給后續(xù)的研究提供了更加直觀(guān)的理解方式。

保溫時(shí)間

釬料中的降熔元素基于擴(kuò)散，形成化合或固溶體來(lái)去除降熔效應(yīng)，除釬焊溫度外需要結(jié)合適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間達(dá)到降熔元素的充分?jǐn)U散，以減小釬焊接頭中低熔點(diǎn)共晶相的形成，同時(shí)還可以使接頭元素均勻化分布，從而提升接頭的整體性能。

石昆等用BNi2釬料釬焊GH4169與GH738鎳基合金，研究保溫時(shí)間對(duì)焊接接頭組織性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬焊接頭與母材之間元素的擴(kuò)散和溶解更加充分，金屬間化合物及晶間化合物相數(shù)量減少，固溶體相增多。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)到45 min時(shí)，釬焊接頭中只有少量金屬間化合物相生成。Bin Sun等研究了保溫時(shí)間對(duì)鎳鉻合金高溫釬焊金剛石組織的影響。結(jié)果表明：金剛石表面存在兩層碳化物，即層狀碳化物CrC和柱狀碳化物CrC，CrC的生長(zhǎng)方向與金剛石的晶面有一定的取向關(guān)系，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，硬質(zhì)合金表面CrC的形態(tài)由條狀向片狀轉(zhuǎn)變，硬質(zhì)合金CrC的形態(tài)由顆粒狀向柱狀轉(zhuǎn)變。釬焊后，金剛石與釬焊過(guò)程中釬料生成的2種碳化物之間的強(qiáng)化學(xué)冶金結(jié)合是產(chǎn)生高強(qiáng)度釬焊接頭的主要原因。

保溫時(shí)間的增長(zhǎng)能夠使得釬料中的元素?cái)U(kuò)散和溶解更加充分，能使化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)均勻化，有利于提高接頭性能，但并非保溫時(shí)間越長(zhǎng)越好。劉師田等在研究保溫時(shí)間和釬焊溫度對(duì)304不銹鋼接頭性能的影響時(shí)指出：1 000 ℃焊接溫度下隨著保溫時(shí)間的增長(zhǎng)，焊接接頭的剪切強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)，在保溫時(shí)間為40 min時(shí)達(dá)到最高，之后再延長(zhǎng)保溫時(shí)間發(fā)現(xiàn)接頭剪切強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)保溫時(shí)間少于40 min時(shí)，元素?cái)U(kuò)散作用不夠充分，沒(méi)有生成均勻的固溶組織，而保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，元素?cái)U(kuò)散更充分，使接頭的剪切強(qiáng)度隨之增高。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到40 min時(shí)，母材與釬料之間的元素互擴(kuò)散達(dá)到峰值，Ni元素與Fe元素完全互溶，形成了大量的固溶體，NiP脆性相幾乎被完全消除，此時(shí)的剪切強(qiáng)度達(dá)到了最高值。而進(jìn)一步延長(zhǎng)保溫時(shí)間，由于擴(kuò)散和等溫凝固的持續(xù)進(jìn)行，Ni、P元素持續(xù)保持在能量較高的活躍狀態(tài)，Ni3P脆性相再度生成，導(dǎo)致了接頭剪切強(qiáng)度的再次降低。

2.3 材料計(jì)算

隨著計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用，將數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合成為常用的研究方法，極大地減少了試驗(yàn)周期和實(shí)驗(yàn)量，并且能夠更加直觀(guān)的解釋形成不同性能焊接接頭的原因。前文提到的Bridges Denzel、石昆等人的研究中結(jié)合了相應(yīng)的計(jì)算來(lái)解釋說(shuō)明釬焊過(guò)程中的釬料形態(tài)、釬焊溫度等因素對(duì)焊接接頭阻止性能產(chǎn)生的影響。Yang等則根據(jù)EDS結(jié)果，利用Boltzmann函數(shù)描述了元素的濃度分布，然后提出了一種基于Boltzmann-Matano模型的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果表明：非等溫凝固區(qū)、等溫凝固區(qū)和擴(kuò)散影響區(qū)分別由共晶化合物、γ-Ni固溶體和硼化物析出相組成。此外釬焊溫度對(duì)Si、Fe、Ni元素的擴(kuò)散行為有很大影響，利用這種計(jì)算方法中提出的模型可以準(zhǔn)確計(jì)算釬焊接頭不同位置的擴(kuò)散系數(shù)值。

近年來(lái)，學(xué)者們利用CALPHAD方法建立了鋼、鎳基超合金、Al/Mg/Ti基合金、耐火材料和渣系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。可以通過(guò)諸如Thermo-Calc或DICTRA等商業(yè)軟件使用這些數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)預(yù)測(cè)各種熱動(dòng)力學(xué)性能、穩(wěn)定/亞穩(wěn)相平衡、相變和多組分?jǐn)U散，可縮短釬料設(shè)計(jì)研發(fā)周期并提高對(duì)現(xiàn)有釬料性能的理解。這種建模方法也被用于描述金屬和合金連接過(guò)程中的組織演變，包括鎳基高溫合金的高溫釬焊。Riggs等利用Thermo-Calc和DICTRA軟件進(jìn)行熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬，預(yù)測(cè)BNi-2和BNi-9兩種常用釬料釬焊高強(qiáng)度鎳基單晶高溫合金CMSX-4時(shí)的微觀(guān)組織演變。采用DICTRA擴(kuò)散模型計(jì)算了Ni-B二元體系的基體溶解、中心線(xiàn)共晶成分的數(shù)量以及在不同接頭間隙處完全等溫凝固所需的時(shí)間，并將計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了曲線(xiàn)如圖2。在進(jìn)行Thermo-Calc模擬時(shí)利用CALPHAD方法，根據(jù)2種釬料的化學(xué)成分預(yù)測(cè)了接頭的轉(zhuǎn)變溫度和平衡相，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的接頭微觀(guān)組織與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Thermo-Calc和DICTRA模擬與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的良好相關(guān)性，也進(jìn)一步證明CALPHAD方法在釬焊模擬中的可靠性。

圖2 DICTRA模型預(yù)測(cè)的不同間隙下完全等溫凝固所需的時(shí)間數(shù)據(jù)與Schnell和Nishimoto的計(jì)算數(shù)據(jù)曲線(xiàn)Fig.2 The data on the time required for complete isothermal solidification predicted by the DICTRA model at different clearances are compared with the calculated data curves from Schnell and Nishimoto

第一性原理也常被用來(lái)分析釬焊中不同元素之間的相互結(jié)合的各種性質(zhì)。Hargather等采用第一性原理理論和局域密度近似法計(jì)算了包括Al、Co、Cr、Cu等26個(gè)過(guò)渡金屬溶質(zhì)元素在鎳基體中擴(kuò)散系數(shù)及其對(duì)蠕變速率的影響，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)一般來(lái)說(shuō)位于元素周期表越左側(cè)的元素?cái)U(kuò)散速度越快，而該研究中卻發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)和蠕變阻力取決于溶質(zhì)原子與Ni原子之間的鍵合作用，特別是，該研究表明，稀溶質(zhì)元素的擴(kuò)散系數(shù)與每個(gè)溶質(zhì)元素在各自的NiX超胞中的壓縮性相關(guān)，而與溶質(zhì)元素的離子半徑關(guān)系不大。為研究鎳基釬料的配比問(wèn)題提供了新的思路。

3 結(jié)論

1) 新型釬料的制備、釬料成分的改進(jìn)對(duì)高溫釬焊的發(fā)展有重要影響。釬料的改進(jìn)除了在成分上添加合金元素提高釬焊接頭性能外，最重要的就是對(duì)降熔元素形成的硬脆相性能的改善：一是開(kāi)發(fā)金屬系降熔元素，如Hf、Zr等，其形成產(chǎn)物具有更好的韌性，可以降低釬焊接頭的應(yīng)力集中，但不足之處是擴(kuò)散能力較差；二是通過(guò)物理效應(yīng)降熔，如納米顆粒釬料，通過(guò)吉布斯-湯普森效應(yīng)降低釬料熔點(diǎn)，可避免降熔元素引入生成的低熔點(diǎn)共晶相。與傳統(tǒng)釬料相比，新型納米釬料不需要添加降熔元素，且潤(rùn)濕性好，擴(kuò)散能力強(qiáng)，還可以提升高溫釬焊效率和焊接接頭性能；

2) 釬焊工藝參數(shù)依然是控制焊接接頭性能的重要手段。但釬焊溫度與保溫時(shí)間并非越高越有利，特別是考慮母材中活性元素被激活產(chǎn)生互擴(kuò)散對(duì)等溫凝固的影響，需要相互匹配選擇合理釬焊工藝參數(shù)才能獲得最好的釬焊接頭性能，現(xiàn)階段釬焊工藝研究不再僅僅局限于累積實(shí)驗(yàn)，逐漸與模擬計(jì)算材料科學(xué)相結(jié)合，尤其在釬焊溫度的相關(guān)研究中結(jié)合了Thermo-Calc軟件計(jì)算的釬料相圖之后，可以明顯減少實(shí)驗(yàn)量，而且結(jié)合擴(kuò)散相關(guān)理論對(duì)掌握釬焊接頭的成分分布有指導(dǎo)意義；此外，改進(jìn)釬焊方法對(duì)提高釬焊接頭高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性仍具有重要意義；

3) 模擬計(jì)算材料科學(xué)對(duì)釬焊工藝參數(shù)和釬料成分優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。從基礎(chǔ)理論Boltzmann函數(shù)、菲克定理，發(fā)展至CALPHAD方法以及第一性原理計(jì)算，學(xué)者們利用模擬計(jì)算材料科學(xué)不僅可以計(jì)算釬料主要元素在釬焊過(guò)程中的擴(kuò)散系數(shù)、推演組織變化，還能預(yù)測(cè)釬焊接頭產(chǎn)物性能，極大地縮減了實(shí)驗(yàn)周期和實(shí)驗(yàn)量，為高溫釬焊實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。就模擬計(jì)算材料科學(xué)在釬焊中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還需進(jìn)一步研究多元合金結(jié)構(gòu)中元素?cái)U(kuò)散機(jī)制與試驗(yàn)結(jié)果的差異，完善多元釬料體系中的結(jié)構(gòu)表征與優(yōu)化、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變下擴(kuò)散行為的建模與模擬計(jì)算，促進(jìn)高溫釬焊技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。