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釬焊與擴散焊技術在航空發(fā)動機制造業(yè)中的應用

查看：1352 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:28:29

隨著航空發(fā)動機高推重比、高可靠性、長壽命、低成本的設計和制造技術需求的不斷提高，新材料、新結構、新工藝越來越多地得到采用，尤其是作為制造工藝手段的焊接技術得到了快速發(fā)展。釬焊、擴散焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、高能束流焊等先進焊接技術在航空發(fā)動機焊接構件中得到發(fā)展和應用。其中，釬焊技術和擴散焊技術以其獨有的特點得到了更大的發(fā)展，這主要表現(xiàn)在難以熔焊材料的構件焊接中。為了獲得優(yōu)質或與母材相匹配的高性能接頭，目前最為有效的連接方法就是釬焊和擴散焊方法。當然，釬焊和擴散焊技術在航空發(fā)動機焊接構件中實際應用發(fā)展的同時，也面臨著許多新的技術難題，這些難題成為促進其進一步發(fā)展和應用，并在航空工業(yè)領域發(fā)揮更大作用的巨大動力。

釬焊技術

1 釬焊技術在國內航空發(fā)動機制造中的應用發(fā)展狀況

在連接材料的方法中，釬焊是人類最早使用的方法之一。第二次世界大戰(zhàn)后，由于航空、航天、核能和電子等新技術的飛速發(fā)展，以及新材料、新結構的采用，對連接技術提出了更高的要求，釬焊技術因此受到人們更多的關注，開始以前所未有的速度發(fā)展起來并出現(xiàn)了許多新的釬焊方法。釬料品種日益增多，因此，其應用范圍日益擴大。特別是當今航空事業(yè)不斷發(fā)展，新型號機不斷問世，釬焊在航空發(fā)動機焊接構件的連接上發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，真空釬焊、感應釬焊、火焰釬焊、爐中保護氣氛釬焊、電弧釬焊等釬焊技術非常廣泛地應用于航空發(fā)動機重要部件的制造中。

（ 1 ）真空釬焊技術的應用。

目前，真空釬焊廣泛應用于作為各型號發(fā)動機封嚴構件的蜂窩結構。蜂窩結構由蜂窩芯和殼體組成，殼體材料一般為不銹鋼或高溫合金，蜂窩材料一般為 GH536 鎳基高溫合金薄帶材料。它的釬焊是將釬料預置在蜂窩芯格內，然后將蜂窩與殼體組合裝配，最后采用真空釬焊方法進行釬焊。釬焊接頭強度約為母材的 50% 。壓氣機成組靜子葉片也是采用這種釬焊方法制造的。它由內外環(huán) 和 10 余個葉片通過真空釬焊連接為一整體，該結構已裝機使用數(shù)百臺。

另外，真空釬焊還應用于渦輪導向器、導流葉片、擴散器、火焰筒、油濾等部件的制造。圖 1 為真空纖焊焊接的渦輪導向器、火焰筒。

（ 2 ）感應釬焊與火焰釬焊技術。

發(fā)動機燃油總管和油路導管絕大部分接頭采用的都是感應釬焊與火焰釬焊技術。母材一般為不銹鋼和高溫合金。這些接頭是采用銀基或銅基釬料，以高頻感應加熱或氧 - 乙炔火焰作為熱源進行連接。

低溫工作的油濾釬焊也可采用火焰釬焊法，所用釬料為軟釬料。

（ 3 ）爐中保護氣氛釬焊。

這種工藝技術主要應用于防止基體材料和釬料中易氧化元素燒損的釬焊工藝中。釬料含有高蒸氣壓元素 Cu 、 Mn的組件釬焊，所用保護氣體為高純氬氣，如發(fā)動機換熱器構件和白銅封嚴件的釬焊。

（ 4 ）真空電弧釬焊。

真空電弧釬焊主要應用于航空發(fā)動機渦輪葉片葉冠耐磨片的釬焊。這種釬焊方法適合整體加熱敏感的材料或結構以及分步釬焊，操作復雜，工藝參數(shù)要求精確，工裝調控要求精密。

2 釬焊面臨的新課題

（ 1 ）第三代特別是第四代新型號發(fā)動機結構，出現(xiàn)了許多新材料、新結構的釬焊連接，如 Ti 合金、 NiAl 金屬間化合物、 TiAl 金屬間化合物、 Ni 基單晶合金等新材料的釬焊等。另外，還涉及 TiAl 金屬間化合物與高溫合金異種材料的釬焊，需要解決異種材料釬焊所用釬料及裝配定位焊問題。這些都是目前比較前沿的釬焊技術問題。

（ 2 ）提高和改善釬焊接頭力學性能。一般釬焊接頭強度僅為基體母材的一半，是不能滿足先進航空發(fā)動機連接結構件性能要求的。需要改進釬焊材料及工藝技術，使釬焊接頭力學性能在原有的基礎上得到提高，首先要開展釬焊+ 擴散工藝的研究工作，尋求提高釬焊接頭強度的新途徑。其次，要開發(fā)采用新釬料，改善釬焊接頭的性能。發(fā)動機上許多受力不大的管路件的火焰釬焊連接采用的是銅基釬料，而在研新型發(fā)動機的這些管組件大部分需要采用真空釬焊連接，所用釬料為鎳基釬料。鎳基釬料釬焊的接頭雖強度較高，但塑性較差。因此，應開展采用鈀基釬料釬焊油路導管及燃油總管研究工作，以提高釬焊接頭的塑性。

（ 3 ）要開展真空釬焊修補航空發(fā)動機難熔焊材料制造的導向葉片鑄造缺陷的修補工藝技術研究，以擴展釬焊的應用領域。由于航空發(fā)動機性能的提高，其導向葉片采用了新材料 , 其中一些新材料含有較多的鋁、鈦，難以熔焊。這使得導向葉片鑄造時產生的超標缺陷不能用常規(guī)的熔焊方法實現(xiàn)修補。此類葉片鑄造缺陷采用真空釬焊進行修補則是目前廣泛使用的有效方法。開展這項研究工作主要解決的問題是研究確定既有良好工藝性能，又能滿足葉片使用要求的釬料和填充缺陷加強毛細作用的合金粉制劑。

（ 4 ）釬焊工藝參數(shù)、工藝程序的優(yōu)化和進一步量化、細化，使其更加完善和更具操作性，這是改進傳統(tǒng)釬焊工藝的現(xiàn)實要求。這需要焊接技術工作者通過大量的探索實踐和經驗積累才能做到。

（ 5 ） RoHS （在電子電氣設備中限制使用某些有害物質）指令明確規(guī)定了鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯和多溴二苯醚等 6 種有害物質的最大限量值。提醒我們今后在釬料的應用和選擇上要采用符合 RoHS 指令的綠色環(huán)保釬料。因此，開發(fā)采用綠色環(huán)保釬料也是釬焊技術發(fā)展應用的一項重要課題。

擴散焊

1 擴散焊在國內航空發(fā)動機制造中的發(fā)展現(xiàn)狀

擴散焊是在一定的溫度和壓力下將 2 種待焊金屬件的焊接表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過焊接面產生微量液相而擴大待焊表面的物理接觸，使之距離達（ 1~5 ）× 10 -8cm 以內（這樣原子間的引力起作用，才可能形成金屬鍵），再經較長時間的原子相互間的不斷擴散，相互滲透，來實現(xiàn)冶金結合的一種焊接方法。其獨到之處在于：焊接頭的顯微組織和性能與母材接近或相同，在焊縫中不存在各種熔化焊缺陷，也不存在具有過熱組織的熱影響區(qū)；可操作性強，工藝參數(shù)易控制，質量穩(wěn)定、合格率高；零件變形小；可焊接大斷面接頭；可焊接其他焊接方法難以焊接的材料。特別適合應用于陶瓷材料的連接，這對第四代、第五代發(fā)動機的研制具有現(xiàn)實意義。采用擴散焊設備所焊接的零件。

北京航空制造工程研究所等相關單位已經較早地開展了擴散焊技術的研究與應用，并已經取得了一定成果。目前，擴散焊技術已在國內航空發(fā)動機制造中進入工程化應用階段。

北京航空制造工程研究所多年研制生產的某重點型號發(fā)動機鈦合金空心整流葉片，是采用超塑成型擴散連接（SPF-DB ）技術制造的，實現(xiàn)了超塑成型工藝與擴散焊技術的結合，該葉片現(xiàn)已累計裝機使用百余臺。研究所還采用瞬間過渡液相擴散焊（ TLP ）擴散焊技術應用自行研制的鎳基中間層合金 KNi9 實現(xiàn)了氧化物彌散強化高溫合金MGH956 材料的有效連接，高溫抗拉強度達到基體的 80% 。并在此基礎上進行了某機 MGH956 材料的多孔層板結構新型冷卻結構的研制。此外，還利用 TLP 擴散焊工藝技術進行了 Ni3Al 合金的擴散焊接試驗研究，接頭的持久強度達到基體的 80% 以上，在渦輪導向葉片制造中獲得了應用。某發(fā)動機轉子用擴散焊工藝焊接了 0.5 ｍｍ厚的銅板，使轉子平面與分油盤間磨擦付能處于較好的工作狀態(tài)；轉子柱塞孔也用此工藝焊銅套，使柱塞與柱塞孔這對磨擦付也能處于較好的工作狀態(tài)；柱塞座平面也采用了相同的工藝，保證了柱塞座與墊板這對磨擦付良好的工作。

2 擴散焊技術應用面臨的新課題

當今，國外該項技術已廣泛應用于 F119 、 F120 、 F414 、 GE90 等發(fā)動機中。美國 PW 公司從 20 世紀 70年代開始針對單晶葉片的高性能連接需求，開發(fā)出焊接接頭性能優(yōu)異的 TLP 擴散焊技術。歐美、日本針對 TLP 擴散焊的連接機理、技術工藝特點及工程應用等開展深入研究，使 TLP 擴散焊技術達到工程應用水平，焊接的單晶對開葉片、雙聯(lián)（多聯(lián)）導向葉片、多孔層板結構等高溫新結構經過發(fā)動機的試車考核。而國內航空擴散焊工藝及應用還處于研究和初步應用階段 , 有許多問題等待解決。

（ 1 ）新材料及其構件的擴散焊。隨著國內新型航空發(fā)動機工作溫度的逐步提高，鎳鋁基金屬化合物、鈦鋁基金屬間化合物和鎳基單晶高溫合金以及粉末合金、陶瓷和復合材料等難焊材料的連接逐漸增多。擴散焊以其焊接材料范圍廣且焊接接頭強度和成分接近母材而作為首選焊接方法。另外，發(fā)動機整體葉盤、單晶對開葉片等新結構的擴散焊需求也越來越強烈。為了迎合當前航空發(fā)動機技術的高速發(fā)展，開展上述難焊材料和結構的擴散焊工藝與應用研究勢在必行。

（ 2 ） TLP 用中間層合金的研制開發(fā)。國內開展航空擴散焊的研究時間不長，還不具有適用于各種材料 TLP 擴散連接的中間層合金體系，需要較長時間來進行中間層合金的研制開發(fā)和技術積淀。

（ 3 ）設備能力需要加強。目前，國內屈指可數(shù)的幾臺擴散焊設備都來自美、德等國家，價格比較昂貴。這些設備基本分布在各大研究院所，且其容積規(guī)格僅限于小尺寸構件，對于科研生產型是遠遠不夠的。絕大部分發(fā)動機制造企業(yè)根本無設備能力，其原因之一是購置設備投資巨大。這種現(xiàn)狀不符合現(xiàn)在擴散焊發(fā)展的趨勢，改變這種現(xiàn)狀的最好辦法是能夠實現(xiàn)擴散焊設備的國產化。

（ 4 ）優(yōu)化工藝及工藝標準的完善。國內航空擴散焊目前還處于初步應用階段，需對工藝及工藝標準逐步地，系統(tǒng)地進行補充、完善。

（ 5 ）可靠檢驗方法尋求及擴散焊質量驗收標準的建立和完善。目前，擴散焊接頭焊接質量檢查方法采用隨機抽查進行金相檢查，并配以超聲波等無損檢測的手段。現(xiàn)在，尚無可靠的無損檢測方法來檢查十分緊密接觸的，且晶粒生長未穿過界面不良焊合區(qū)域的接頭。生產和試驗中用超高頻（≥ 50MHz ）的超聲掃描檢測裝置來檢查，只對明顯分離的未焊合和尺寸較大的孔洞才有效。因此，必須開展研究，摸索可靠的檢測方法。

當前，還沒有用于國內航空擴散焊質量驗收的標準，需要通過對工藝參數(shù)及工藝程序的研究和實際應用積累來建立行之有效的標準。

結束語

航空發(fā)動機事業(yè)的發(fā)展必將促進釬焊和擴散焊技術的發(fā)展，擴展釬焊和擴散焊技術的應用領域。同時，釬焊和擴散焊技術在不斷研究新情況、解決新問題，也必將為航空發(fā)動機采用新材料、新結構提高性能提供技術支撐。未來航空發(fā)動機材料的焊接將是復合材料的焊接，未來航空發(fā)動機結構的焊接將是復合結構的焊接。作為航空焊接技術工作者，需要不懈的努力，創(chuàng)新超越，為我國航空動力的發(fā)展做出貢獻。

陜公網安備 61011302000311號

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