| 隨著航空發(fā)動機高推重比、高可靠性、長壽命、低成本的設(shè)計和制造技術(shù)需求的不斷提高，新材料、新結(jié)構(gòu)、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(shù)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(shù)在航空發(fā)動機焊接構(gòu)件中得到發(fā)展和應(yīng)用。其中，釬焊技術(shù)和擴散焊技術(shù)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(gòu)件焊接中。為了獲得優(yōu)質(zhì)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(dāng)然，釬焊和擴散焊技術(shù)在航空發(fā)動機焊接構(gòu)件中實際應(yīng)用發(fā)展的同時，也面臨著許多新的技術(shù)難題，這些難題成為促進其進一步發(fā)展和應(yīng)用，并在航空工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用的巨大動力。
釬焊技術(shù)
1 釬焊技術(shù)在國內(nèi)航空發(fā)動機制造中的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r
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(shù)的飛速發(fā)展，以及新材料、新結(jié)構(gòu)的采用，對連接技術(shù)提出了更高的要求，釬焊技術(shù)因此受到人們更多的關(guān)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(yīng)用范圍日益擴大 。特別是當(dāng)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(gòu)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(yīng)釬焊、火焰釬焊、爐中保護氣氛釬焊、電弧釬焊等釬焊技術(shù)非常廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動機重要部件的制造中。
（ 1 ）真空釬焊技術(shù)的應(yīng)用。
目前，真空釬焊廣泛應(yīng)用于作為各型號發(fā)動機封嚴(yán)構(gòu)件的蜂窩結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)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(yù)置在蜂窩芯格內(nèi)，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(nèi)外環(huán) 和 10 余個葉片通過真空釬焊連接為一整體，該結(jié)構(gòu)已裝機使用數(shù)百臺。
另外，真空釬焊還應(yīng)用于渦輪導(dǎo)向器、導(dǎo)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(dǎo)向器、火焰筒。
（ 2 ）感應(yīng)釬焊與火焰釬焊技術(shù)。
發(fā)動機燃油總管和油路導(dǎo)管絕大部分接頭采用的都是感應(yīng)釬焊與火焰釬焊技術(shù)。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(yīng)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(shù)主要應(yīng)用于防止基體材料和釬料中易氧化元素?zé)龘p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(gòu)件和白銅封嚴(yán)件的釬焊。
（ 4 ）真空電弧釬焊。
真空電弧釬焊主要應(yīng)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(jié)構(gòu)以及分步釬焊，操作復(fù)雜，工藝參數(shù)要求精確，工裝調(diào)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(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了許多新材料、新結(jié)構(gòu)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(shù)問題。
（ 2 ）提高和改善釬焊接頭力學(xué)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(jié)構(gòu)件性能要求的。需要改進釬焊材料及工藝技術(shù)，使釬焊接頭力學(xué)性能在原有的基礎(chǔ)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(yīng)開展采用鈀基釬料釬焊油路導(dǎo)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(dǎo)向葉片鑄造缺陷的修補工藝技術(shù)研究，以擴展釬焊的應(yīng)用領(lǐng)域。由于航空發(fā)動機性能的提高，其導(dǎo)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(dǎo)向葉片鑄造時產(chǎn)生的超標(biāo)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(shù)工作者通過大量的探索實踐和經(jīng)驗積累才能做到。
（ 5 ） RoHS （在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)）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(zhì)的最大限量值。提醒我們今后在釬料的應(yīng)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(shù)發(fā)展應(yīng)用的一項重要課題。
擴散焊
1 擴散焊在國內(nèi)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(chǎn)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(nèi)（這樣原子間的引力起作用，才可能形成金屬鍵），再經(jīng)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(jié)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(zhì)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(yīng)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(shè)備所焊接的零件 。
北京航空制造工程研究所等相關(guān)單位已經(jīng)較早地開展了擴散焊技術(shù)的研究與應(yīng)用，并已經(jīng)取得了一定成果。目前，擴散焊技術(shù)已在國內(nèi)航空發(fā)動機制造中進入工程化應(yīng)用階段。
北京航空制造工程研究所多年研制生產(chǎn)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(shù)制造的，實現(xiàn)了超塑成型工藝與擴散焊技術(shù)的結(jié)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(shù)應(yīng)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(chǔ)上進行了某機 MGH956 材料的多孔層板結(jié)構(gòu)新型冷卻結(jié)構(gòu)的研制。此外，還利用 TLP 擴散焊工藝技術(shù)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(dǎo)向葉片制造中獲得了應(yīng)用 。某發(fā)動機轉(zhuǎn)子用擴散焊工藝焊接了 0.5 ｍｍ厚的銅板，使轉(zhuǎn)子平面與分油盤間磨擦付能處于較好的工作狀態(tài)；轉(zhuǎn)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(shù)應(yīng)用面臨的新課題
當(dāng)今，國外該項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于 F119 、 F120 、 F414 、 GE90 等發(fā)動機中。美國 PW 公司從 20 世紀(jì) 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(shù)。歐美、日本針對 TLP 擴散焊的連接機理、技術(shù)工藝特點及工程應(yīng)用等開展深入研究，使 TLP 擴散焊技術(shù)達到工程應(yīng)用水平，焊接的單晶對開葉片、雙聯(lián)（多聯(lián)）導(dǎo)向葉片、多孔層板結(jié)構(gòu)等高溫新結(jié)構(gòu)經(jīng)過發(fā)動機的試車考核。而國內(nèi)航空擴散焊工藝及應(yīng)用還處于研究和初步應(yīng)用階段 , 有許多問題等待解決。
（ 1 ）新材料及其構(gòu)件的擴散焊。隨著國內(nèi)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(fù)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(jié)構(gòu)的擴散焊需求也越來越強烈。為了迎合當(dāng)前航空發(fā)動機技術(shù)的高速發(fā)展，開展上述難焊材料和結(jié)構(gòu)的擴散焊工藝與應(yīng)用研究勢在必行。
（ 2 ） TLP 用中間層合金的研制開發(fā)。國內(nèi)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(shù)積淀。
（ 3 ）設(shè)備能力需要加強。目前，國內(nèi)屈指可數(shù)的幾臺擴散焊設(shè)備都來自美、德等國家，價格比較昂貴。這些設(shè)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(gòu)件，對于科研生產(chǎn)型是遠遠不夠的。絕大部分發(fā)動機制造企業(yè)根本無設(shè)備能力，其原因之一是購置設(shè)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?qū)崿F(xiàn)擴散焊設(shè)備的國產(chǎn)化。
（ 4 ）優(yōu)化工藝及工藝標(biāo)準(zhǔn)的完善。國內(nèi)航空擴散焊目前還處于初步應(yīng)用階段，需對工藝及工藝標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善。目前，擴散焊接頭焊接質(zhì)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(chǎn)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(dāng)前，還沒有用于國內(nèi)航空擴散焊質(zhì)量驗收的標(biāo)準(zhǔn)，需要通過對工藝參數(shù)及工藝程序的研究和實際應(yīng)用積累來建立行之有效的標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)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(shù)的發(fā)展，擴展釬焊和擴散焊技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時，釬焊和擴散焊技術(shù)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(jié)構(gòu)提高性能提供技術(shù)支撐。未來航空發(fā)動機材料的焊接將是復(fù)合材料的焊接，未來航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)的焊接將是復(fù)合結(jié)構(gòu)的焊接。作為航空焊接技術(shù)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。
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