張浩洋

（南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

1 前言

在航空工業(yè)領(lǐng)域中，渦輪導向葉片是重要的結(jié)構(gòu)件之一。由于其具有較高強度和剛度以及良好的抗沖擊性能等特點，因此被廣泛應用于飛機發(fā)動機上，并且也應用到了一些其他類型的機械加工中。但是因為渦輪導向葉片自身存在較大的缺陷，所以很難保證加工出來的產(chǎn)品能夠滿足相關(guān)標準要求。而通過采用真空技術(shù)可以有效地改善這種情況。目前對于渦輪導向葉片來說,主要有兩種焊接方法：一種是熔化極惰性氣體保護焊(MIG)；另一種則是鎢極氬弧焊(TIG)。前者屬于傳統(tǒng)的焊接方式,后者則屬于新型的焊接方式。雖然這兩種焊接方式各有利弊,但都需要經(jīng)過一定時間才能完成整個過程。如果想提高生產(chǎn)效率，就必須縮短這一過程所消耗的時間,這樣一來，就會導致生產(chǎn)成本大大增加。因此，在實際工作中應該盡量避免使用這兩種焊接方式。目前我國正在大力推進航空事業(yè)的發(fā)展,所以對于航空器來說,其性能要求非常高,不僅僅只是能夠正常飛行那么簡單,還需要具備較好的穩(wěn)定性與可靠性。為了滿足這些需求,渦輪導向葉片的制造技術(shù)也得到了快速提升。但是，因為受到材料自身特性的限制,使得渦輪導向葉片很難實現(xiàn)整體化制造,只能采用分段加工再拼裝的方法進行制造,從而降低了生產(chǎn)效率并且增大了制造難度。在實際的工作過程中,渦輪導向葉片會受到較大的離心力作用,因此要保證它們不會出現(xiàn)變形問題。如果想解決這一問題，就可以利用焊接技術(shù),將導向葉片固定在一起形成一個完整的結(jié)構(gòu)體。目前,我國主要應用的是釬焊技術(shù)來完成這項任務(wù),通過該技術(shù)可以有效地提高葉片的強度以及剛度,同時還具有良好的密封效果。然而,由于渦輪導向葉片所承受的溫度較高,所以對其表面質(zhì)量提出了更高的要求。傳統(tǒng)的釬焊技術(shù)無法滿足這樣的條件,需要不斷創(chuàng)新和完善才能夠適應現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的趨勢。為了進一步提升葉片的性能,人們開始研究新型的釬焊材料,例如，鎳基、鈷基等。這些新材料能夠很好地滿足高溫環(huán)境下使用的需求,但是也存在一些不足之處。例如,鎳基合金熔點相對較低,容易被氧化。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

（1）試樣。采用純相法制備了不同含量的Al2ZnAl-CuSuO4 和AlNbFeNiCrMoWTi 合金粉末；其中：Al2ZnAl-CuSuO4 為純相合金粉；AlNbFeNiCrMoWTi 為摻雜相合金粉。

（2）原材料。主要有鈦合金、鋁合金、鎂合金、銅合金等。

（3）試驗設(shè)備。X 射線熒光光譜儀（日本日立公司）；電子萬能試驗機（北京中科華興儀器儀表有限公司）；掃描電鏡（德國蔡司）；透射電子顯微鏡（荷蘭FEI 公司）及能譜分析系統(tǒng)（美國Micromeritics 公司）。

2.2 試驗方法

為了研究工藝對葉片真空釬焊接頭質(zhì)量的影響，采用上述設(shè)計的工藝進行葉片真空釬焊試驗。具體過程如下：將葉片試樣固定在工裝上，通過夾具定位后放入真空爐內(nèi)抽真空至0.095MPa 左右；隨后向爐內(nèi)通入氬氣并調(diào)節(jié)壓力至3.8kN,保持該狀態(tài)保溫140℃4h 以上；最后關(guān)閉電源,待爐體內(nèi)溫度降至室溫時取出試件即可。整個釬焊過程中,均使用高純度Ar 作為保護氣體,以避免空氣污染和其他雜質(zhì)進入釬料層。

在進行釬焊時，首先用酒精清洗葉片表面油污、氧化物等雜物,然后利用超聲波清洗機去除葉片表面殘留的油脂及氧化膜,再用無水乙醇擦拭干凈,接著置于60℃烘箱干燥備用。還需要注意以下幾點內(nèi)容。第一，要保證所用的鎢極板厚度滿足要求，同時還要盡量減小焊接時間；第二，在焊接過程中，要確保釬焊部位沒有裂紋。第三，在進行焊接作業(yè)時，應該先對底面進行清理，然后再用丙酮溶液清洗，這樣才能有效避免由于底面氧化導致底面產(chǎn)生裂痕而影響后續(xù)焊接質(zhì)量；第四，在焊接結(jié)束后，應及時對焊接接頭處進行打磨處理，使得焊接接頭更加平整光滑；第五，在進行焊接操作前，應對焊接物料進行稱重，以免發(fā)生焊接變形問題，進而降低焊接成本。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 釬料潤濕性和填縫性

由于釬料是一種特殊物質(zhì)，在釬焊過程中其自身所含有的化學成分以及結(jié)構(gòu)都會對釬焊質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。因此，釬焊材料必須具備良好的潤濕性，才能保證釬縫處具有較好的密封效果；而且釬料本身就具備一定的黏性能夠使得釬縫更好地貼合于基體上。但是如果釬料不具備良好的潤濕性或者存在較大的縫隙，則無法有效地將待焊件與基體緊密結(jié)合，進而導致釬焊接頭處出現(xiàn)氣孔或裂紋等問題。為了解決上述問題，可以采用一些輔助手段來改善釬料的潤濕性。例如，通過添加適量的稀釋劑、活性元素(如Cu)等方法來降低釬料熔點并提高其流動性，從而達到改善釬料潤濕性的目的；也可利用合金化技術(shù)來改變釬料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以增強釬料的抗熱裂能力。本文選用Ag 作為釬料的活性元素，同時加入少量Ni 進行合金化處理，這樣既能夠增加釬料強度又能減少釬料熔點（圖1）。

圖1 渦輪導向器與工作葉輪

3.2 釬焊接頭力學性能

為了驗證該工藝對葉片進行真空釬焊時是否能夠滿足強度要求，需要通過試驗來確定。在此過程中，首先要保證釬料具有足夠高的熔化溫度，并且其與母材之間有較好的潤濕性。因此，本文采用AlSi10Mg、Zn5Cu4Nb7 兩種合金作為主要釬料，分別制備了不同工藝條件下的葉片試樣，隨著釬焊溫度升高，葉片的屈服強度略有降低。這可能是因為高溫會使釬料熔化，導致釬縫中存在氣孔缺陷，影響材料的致密性，進而造成材料強度下降。此外，釬焊過程中產(chǎn)生的熱量還會促進釬料向母材擴散，進一步改善釬縫質(zhì)量，所以認為當釬焊溫度控制在140℃時較為合理。

3.3 焊縫微觀組織分析

為了進一步驗證上述結(jié)論，對采用不同工藝焊接后的試件進行了金相觀察，在相同壓力下，隨著釬焊溫度升高、保溫時間延長，葉片釬焊層中晶粒尺寸逐漸變小；但是當釬焊溫度過高時(140℃)，會導致部分晶粒發(fā)生異常長大。

4 渦輪導向葉片真空釬焊關(guān)鍵工藝

在對渦輪導向葉片進行真空釬焊過程中，主要包括以下幾道工序：首先，是將葉片與芯軸分離；其次，是對葉片進行清洗、烘干處理；再次，是利用釬料潤濕葉片表面并填充間隙；最后，是采用抽真空方式去除葉片內(nèi)部殘余氣體和雜質(zhì)，使得葉片能夠處于良好的焊接環(huán)境當中，從而實現(xiàn)對葉片的真空釬焊。最后，就是采用釬焊方法完成焊接工作。由于渦輪導向葉片具有較高的溫度和壓力，所以必須保證釬料能夠充分熔化并填滿間隙。同時，還要控制好釬焊時間以及溫度等因素，以確保最終得到優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。另外，為了提高渦輪導向葉片的使用壽命，需要對葉片采取相應的保護措施，如涂覆抗氧化劑等。在實際生產(chǎn)過程中，通常會選用鎳基或鈷基合金作為釬料來制作渦輪導向葉片。在實際生產(chǎn)中，通常會選用Cu 基或Al 基作為主體金屬材料來制作葉片，這兩種合金都具備一定的耐高溫性，可以有效地延長葉片的使用壽命。但是這兩種合金都存在一定缺陷，即容易氧化且成本相對較高，因此可以選擇鈦基合金來代替上述兩種材料。由于鈦基具有良好的抗腐蝕性能、低密度及高熱導率等特點，因此被廣泛應用到航空工業(yè)中。

此外，還有一種新型的釬料——納米陶瓷顆粒增強鋁基復合釬料(Nano ceramic particles reinforced aluminum alloy)也開始逐漸受到人們的重視。該釬料不僅能夠提高焊接接頭的強度和硬度，而且其導熱系數(shù)非常小，從而使得熱量更加集中，降低了對周圍環(huán)境溫度的影響，同時還減少了釬焊過程中產(chǎn)生的有害氣體，避免了污染物排放量過大所造成的環(huán)境污染問題。

5 渦輪導向葉片真空釬焊優(yōu)化方向

在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量降低釬料熔化溫度。由于葉片材料為鎳基高溫合金，對釬料提出了更高要求：一方面，需要有良好的流動性和潤濕性能；另一方面，要具有較低的熔點、沸點及熱導率等特性。因此，采用傳統(tǒng)的Ni60A 釬料無法滿足葉片制造需求，需開發(fā)新的釬料體系以適應渦輪導向葉片的制造。目前國內(nèi)外已經(jīng)研制出多種新型釬料，如Sn78Cu9Be(TM)2 釬料、ZrB2釬料以及Incoloy 135 Cu 釬料等。但是，這些新型釬料均存在一些不足之處，例如，價格昂貴、生產(chǎn)成本高、使用壽命短等問題。而且，上述釬料都屬于難熔金屬，難以實現(xiàn)大尺寸零件的精密加工。此外，國外還沒有針對渦輪導向葉片進行過相關(guān)研究報道。在實際生產(chǎn)中，對該工序的焊接參數(shù)也有一定的要求，所以要想保證焊縫質(zhì)量要根據(jù)具體情況進行調(diào)整。

此外，由于受到多種因素的影響會導致最終的焊接效果存在較大的差異性，因此在設(shè)計方案時，要充分考慮這些問題，從多方面入手來提升整體的焊接效果。首先，應該對材料力學特性進行全面的了解。這種方法主要是針對金屬材料本身所具有的特點而言的，只有掌握好材料力學特性，才能有效避免出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，同時還※要考慮材料自身的彈性模量以及硬度等方面，這樣才能夠使得整個焊接過程中不會出現(xiàn)過大或者過小等問題。

6 結(jié)語

綜上所述，通過對渦輪導向葉進行真空釬焊技術(shù)改造后，可以有效地提高其焊接質(zhì)量與性能。但是，由于該方法存在一定缺陷和不足之處需要進一步完善。首先，是在加工過程中要保證釬料的均勻性以及焊縫金屬成分的一致性；其次，就是要注意控制釬料的熔點、冷卻速度及保溫時間等參數(shù)的合理性；最后，還需注意在釬焊過程中應防止出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象或熱影響區(qū)。