镍基高温合金扩散连接技术优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：镍基高温合金的热强性好、变形阻力大，扩散连接时要实现可靠的物理接触，必须提高连接温度或增大连接压力。特别是镍基高温合金表面含有Ti和Al的氧化膜，而且Ni在高温下也容易生成NiO，这些氧化膜性能都比较稳定，增加了扩散连接的难度。

镍基高温合金的热强性好、变形阻力大，扩散连接时要实现可靠的物理接触，必须提高连接温度或增大连接压力（Ni本身为立方晶格，原子排列密集，自由扩散能力差）。特别是镍基高温合金表面含有Ti和Al的氧化膜，而且Ni在高温下也容易生成NiO，这些氧化膜性能都比较稳定，增加了扩散连接的难度。

1.直接扩散连接

经过磨光、清洗的表面，可在真空中直接进行扩散连接，表2-3-4给出了几种高温合金的扩散连接参数。图2-3-30是ВЖ98Ni（国内牌号GH3044）高温合金扩散连接参数对接头力学性能的影响，图中A为伸长率，ε为变形率，R_m为抗拉强度。其连接温度范围为1173～1473K，连接压力为5～25MPa，连接时间为10～30min，真空度为10^-2Pa。从图2-3-30中可知，随着温度、压力和时间的增加，接头性能逐渐提高。通过分析可知，其最佳连接参数为T=1423～1473K、p=20～25MPa、t=30min、真空度为10^-2 Pa。

图2-3-30 高温合金扩散连接参数对接头力学性能的影响（GH3044）

a）压力 b）温度 c）时间

表2-3-4 高温合金的扩散连接参数

在确定的温度和确定的时间下，试件不被破坏的最大应力称为高温持久强度。图2-3-31是CrNi80WBAl的持久强度试验结果，试件经过1273K、2h和1723K、20h保温处理，在973K下进行持久强度试验，得到12000h的持久强度为160MPa左右。

图2-3-31 高温合金及接头的持久强度

1—母材 2—接头

图2-3-32 接头强度与中间层相对厚度的关系

a）p=20MPa b）p=40MPa

1—1323K 2—1363K 3—1403K

图2-3-33 中间层相对厚度与GH130接头抗拉强度的关系

1—接头变形率 2—试验温度1173K时的R_m 3—室温接头的Rm

2.加中间层的扩散连接

镍基合金在扩散连接时，为了实现良好的接触和提高接头性能，常在接合界面处添加中间层材料。接头性能除了受连接参数的影响外，中间层厚度对接头性能也有影响。图2-3-32为不同连接参数下的接头强度与中间层相对厚度的关系，其中连接压力为20MPa、连接时间15min，x为中间层的相对厚度（中间层绝对厚度和试件直径的比值）。

经断口分析发现，连接温度为1323K时，接头在界面破坏，局部没有很好地接触，有机械加工的痕迹；在温度为1363K时，破断发生在母材上，中间层有很大的塑性变形，因此x=0.05可以认为是厚度的临界值。当x<0.05时，脆性破断发生在界面，连接区物理接触不良，要实现可靠接触必须提高连接温度T或连接压力p。当连接温度达到1403K时，由于高温减小了材料的变形阻力，只有x<0.02时才出现脆性破坏，接头强度高。

当连接压力提高到40MPa时，所有温度下各种厚度的中间层都提高了接头强度，说明连接过程中物理接触变好，在x=0.02～0.05范围内，断裂均在母材上发生。由此说明，中间层厚度小时由于变形阻力大，表面物理接触不良，接头性能不好；厚度过大时，软中间层承受了所有的应力，也使接头性能降低。

图2-3-33显示出中间层相对厚度与接头高温强度的关系，试验用材料为GH130，中间层采用Ni80-Co20合金，扩散连接参数为T=1393K、p=30MPa、t=20min。从图中可知，当相对厚度为0.2时，1173K的高温强度达到400MPa，接头可得到较好的高温性能及扩大了中间层厚度的范围。此外，中间层成分对接头高温持久强度有很大影响，采用纯Ni中间层连接GH130镍基合金，由于Al、Ti的扩散，接头区出现了粗大的γ′相，接头性能明显变脆，在50MPa应力、1073K的试验温度下，接头只能持续10min，而不加中间层的接头持续时间可达100h以上。从图2-3-33中还可以看出，接头的变形率随中间层相对厚度的增大而上升。中间层的尺寸和成分对接头脆性有很大的影响，当x很小时，接头呈脆性破坏，韧性很差。

3.液相扩散连接

液相扩散连接是高温合金最常采用的一种连接方法，通过选择B、P、C、Si、Ti、Al等元素活化表面和降低连接温度，实现等温凝固和成分均匀化，得到与母材基本相同的组织成分。同时，可以得到变形小、强度高的接头。

液相扩散连接时施加压力是为了保持工件配合面的良好接触，一般选0～0.01MPa。如果要求接头与母材等强度，并且要求加热温度不影响母材性能，则应采用T≥1423K的高连接温度，接合时间可选8～24h。如果接头质量要求不高，或者母材不能经受太高的热循环，则温度范围为1373～1423K，接合时间为1～8h。例如，Inconel 713C合金（K18），液相扩散连接的一般参数为1368K和4h。

4.定向凝固镍基高温合金的过渡液相扩散连接

近年来，定向凝固及单晶镍基合金发展很快，在飞机发动机及地面燃气轮机制造领域具有广阔的应用前景。

采用0.04mm厚的非晶态箔带（将DZ22合金中的A1、Ti去掉后加入质量分数为3.0%～5.0%的B元素）对DZ22定向凝固高温合金进行液相扩散连接，经36h保温后，接头中的γ+γ′基体与母材基体之间无明显界线。对1483K、24h条件下的连接接头进行了高温持久强度试验，试验温度1253K、试验载荷186MPa，其持续时间为80～116h，接头的持久强度相当于母材的90%。其原因是非晶态中间层成分均匀，厚度较薄，接头中液相很少，再加上元素B的总量很少，大大降低了接头的脆性。

定向结晶的高温合金、母材及接头有一定的方向性，沿结晶方向强度高，而与晶粒垂直方向的强度较低。图2-3-34是定向凝固MA754（20Cr-0.5Ti-0.3Al-0.6Y₂O₃-Ni基）合金接头的高温强度与断裂时间的关系，连接温度为1473K、连接时间为1h、压力为0.98MPa，高温试验温度为1255K。图2-3-34中的L为沿结晶方向的抗拉强度，T为垂直结晶方向的抗拉强度。

图2-3-34 MA754接头的高温特性

5.镍基高温合金扩散连接实例

汽轮机耐高温部件多采用镍基合金或镍基超合金制造，动翼要求有良好的高温强度和抗疲劳性能，在制造时需将叶冠和本体进行液相扩散连接。采用添加元素B和Si的Ni基合金，连接过程如图2-3-35所示。将中间层放置在叶冠和本体中间，在1423K温度下使中间层熔化，然后在1473K下进行等温凝固，使元素B充分扩散，最后形成组织均匀、接头性能满足要求的构件。

镍基高温合金扩散连接技术优化

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