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釬焊與擴(kuò)散焊技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用

查看：1223 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:28:29

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比、高可靠性、長(zhǎng)壽命、低成本的設(shè)計(jì)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(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、高能束流焊等先進(jìn)焊接技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接構(gòu)件中得到發(fā)展和應(yīng)用。其中，釬焊技術(shù)和擴(kuò)散焊技術(shù)以其獨(dú)有的特點(diǎn)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(kuò)散焊方法。當(dāng)然，釬焊和擴(kuò)散焊技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接構(gòu)件中實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，也面臨著許多新的技術(shù)難題，這些難題成為促進(jìn)其進(jìn)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(dòng)力。

釬焊技術(shù)

1 釬焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(kuò)大。特別是當(dāng)今航空事業(yè)不斷發(fā)展，新型號(hào)機(jī)不斷問世，釬焊在航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)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(dòng)機(jī)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行釬焊。釬焊接頭強(qiáng)度約為母材的 50% 。壓氣機(jī)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(gè)葉片通過真空釬焊連接為一整體，該結(jié)構(gòu)已裝機(jī)使用數(shù)百臺(tái)。

另外，真空釬焊還應(yīng)用于渦輪導(dǎo)向器、導(dǎo)流葉片、擴(kuò)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(dòng)機(jī)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(jìn)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(hù)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(hù)氣體為高純氬氣，如發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度僅為基體母材的一半，是不能滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)件性能要求的。需要改進(jìn)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(kuò)散工藝的研究工作，尋求提高釬焊接頭強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(qiáng)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(bǔ)航空發(fā)動(dòng)機(jī)難熔焊材料制造的導(dǎo)向葉片鑄造缺陷的修補(bǔ)工藝技術(shù)研究，以擴(kuò)展釬焊的應(yīng)用領(lǐng)域。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)產(chǎn)生的超標(biāo)缺陷不能用常規(guī)的熔焊方法實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)。此類葉片鑄造缺陷采用真空釬焊進(jìn)行修補(bǔ)則是目前廣泛使用的有效方法。開展這項(xiàng)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(qiáng)毛細(xì)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(jìn)一步量化、細(xì)化，使其更加完善和更具操作性，這是改進(jìn)傳統(tǒng)釬焊工藝的現(xiàn)實(shí)要求。這需要焊接技術(shù)工作者通過大量的探索實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)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(jià)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(xiàng)重要課題。

擴(kuò)散焊

1 擴(kuò)散焊在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的發(fā)展現(xiàn)狀

擴(kuò)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(kuò)大待焊表面的物理接觸，使之距離達(dá)（ 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(zhǎng)時(shí)間的原子相互間的不斷擴(kuò)散，相互滲透，來實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種焊接方法。其獨(dú)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(qiáng)，工藝參數(shù)易控制，質(zhì)量穩(wěn)定、合格率高；零件變形�。豢珊附哟髷嗝娼宇^；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(duì)第四代、第五代發(fā)動(dòng)機(jī)的研制具有現(xiàn)實(shí)意義。采用擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散焊技術(shù)已在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中進(jìn)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(diǎn)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金空心整流葉片，是采用超塑成型擴(kuò)散連接（SPF-DB ）技術(shù)制造的，實(shí)現(xiàn)了超塑成型工藝與擴(kuò)散焊技術(shù)的結(jié)合，該葉片現(xiàn)已累計(jì)裝機(jī)使用百余臺(tái)。研究所還采用瞬間過渡液相擴(kuò)散焊（ TLP ）擴(kuò)散焊技術(shù)應(yīng)用自行研制的鎳基中間層合金 KNi9 實(shí)現(xiàn)了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金MGH956 材料的有效連接，高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到基體的 80% 。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了某機(jī) 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(kuò)散焊工藝技術(shù)進(jìn)行了 Ni3Al 合金的擴(kuò)散焊接試驗(yàn)研究，接頭的持久強(qiáng)度達(dá)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子用擴(kuò)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(duì)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(duì)磨擦付良好的工作。

2 擴(kuò)散焊技術(shù)應(yīng)用面臨的新課題

當(dāng)今，國(guó)外該項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于 F119 、 F120 、 F414 、 GE90 等發(fā)動(dòng)機(jī)中。美國(guó) PW 公司從 20 世紀(jì) 70年代開始針對(duì)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(kuò)散焊技術(shù)。歐美、日本針對(duì) TLP 擴(kuò)散焊的連接機(jī)理、技術(shù)工藝特點(diǎn)及工程應(yīng)用等開展深入研究，使 TLP 擴(kuò)散焊技術(shù)達(dá)到工程應(yīng)用水平，焊接的單晶對(duì)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(dòng)機(jī)的試車考核。而國(guó)內(nèi)航空擴(kuò)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(kuò)散焊。隨著國(guó)內(nèi)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)散焊以其焊接材料范圍廣且焊接接頭強(qiáng)度和成分接近母材而作為首選焊接方法。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、單晶對(duì)開葉片等新結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散焊需求也越來越強(qiáng)烈。為了迎合當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，開展上述難焊材料和結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散焊工藝與應(yīng)用研究勢(shì)在必行。

（ 2 ） TLP 用中間層合金的研制開發(fā)。國(guó)內(nèi)開展航空擴(kuò)散焊的研究時(shí)間不長(zhǎng)，還不具有適用于各種材料 TLP 擴(kuò)散連接的中間層合金體系，需要較長(zhǎng)時(shí)間來進(jìn)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(qiáng)。目前，國(guó)內(nèi)屈指可數(shù)的幾臺(tái)擴(kuò)散焊設(shè)備都來自美、德等國(guó)家，價(jià)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(duì)于科研生產(chǎn)型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)散焊發(fā)展的趨勢(shì)，改變這種現(xiàn)狀的最好辦法是能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)散焊設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

（ 4 ）優(yōu)化工藝及工藝標(biāo)準(zhǔn)的完善。國(guó)內(nèi)航空擴(kuò)散焊目前還處于初步應(yīng)用階段，需對(duì)工藝及工藝標(biāo)準(zhǔn)逐步地，系統(tǒng)地進(jìn)行補(bǔ)充、完善。

（ 5 ）可靠檢驗(yàn)方法尋求及擴(kuò)散焊質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善。目前，擴(kuò)散焊接頭焊接質(zhì)量檢查方法采用隨機(jī)抽查進(jìn)行金相檢查，并配以超聲波等無損檢測(cè)的手段�，F(xiàn)在，尚無可靠的無損檢測(cè)方法來檢查十分緊密接觸的，且晶粒生長(zhǎng)未穿過界面不良焊合區(qū)域的接頭。生產(chǎn)和試驗(yàn)中用超高頻（≥ 50MHz ）的超聲掃描檢測(cè)裝置來檢查，只對(duì)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(cè)方法。

當(dāng)前，還沒有用于國(guó)內(nèi)航空擴(kuò)散焊質(zhì)量驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)，需要通過對(duì)工藝參數(shù)及工藝程序的研究和實(shí)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(dòng)機(jī)事業(yè)的發(fā)展必將促進(jìn)釬焊和擴(kuò)散焊技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展釬焊和擴(kuò)散焊技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，釬焊和擴(kuò)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)材料的焊接將是復(fù)合材料的焊接，未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)航空動(dòng)力的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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