中国古老焊接工艺助力新型高推重比发动机研发

忙里偷闲

中国航空报

  

　　耐高温蜂窝结构（航空报图片）

　　钎焊原理图

  　　“高压涡轮导向叶片经过长时间高温环境下的试车考验，双联焊缝完好无损，完全满足我们的设计要求！”某新型发动机金属间化合物导向叶片破坏试验后，试验人员十分感慨。这个双联焊缝正是中航工业制造所采用过渡液相(Transient Liquid Phase 简称TLP)扩散焊新技术焊接的结果，这项技术也正是中航工业制造所坚持老工艺创新的成果。这项老工艺正在制造所焕发新活力，成为航空制造技术的重要支点。
  　　钎焊、扩散焊技术是一种古老工艺。我国有关钎焊的论述最早可见于汉代班固所撰《汉书》。中航工业制造所从上世纪60年代开始开展钎焊、扩散焊技术和专用焊接设备研究，涉及的材料包括铝合金、铜合金、碳钢、不锈钢、高温合金、钛合金、陶瓷、硬质合金、金刚石等，是国内最早开展钎焊、扩散焊技术研究的单位之一。研究的钎焊、扩散焊接技术和离心叶轮、发动机叶片、换热器、蜂窝结构、推力室、射流盘组件、舵机骨架组件、柱塞泵滑靴组件等产品广泛应用于航空航天及民用领域。
  　　随着新型航空装备技术指标的提高，对耐高温、轻质材料和高性能新结构需求不断增加。蜂窝封严结构就是典型的提升航空发动机性能指标的结构，该结构对小格子蜂窝芯成型/拼焊技术和钎焊技术提出了苛刻要求，受到了欧美国家的长期禁运。制造所钎焊、扩散焊专业组技术人员勇挑重担，分析小格子蜂窝芯特点，研究成功小格子蜂窝芯自动成型和自动拼焊技术与设备，获国家级奖励；同时开展蜂窝封严结构钎焊工艺及其与热处理匹配研究，形成蜂窝封严结构部件制造技术，将蜂窝封严结构推广到所有航空发动机、航天发动机和燃气轮机中广泛应用，显著提高发动机性能，突破国外技术封锁。为满足高推重比发动机对气路封严效果和工作温度高的要求，随后又开发了耐高温蜂窝封严结构、刷式密封结构、指尖密封结构等新结构的制造技术，形成气路封严制造技术体系。
  　　TLP扩散焊技术是针对单晶、金属间化合物、氧化物弥散强化合金等新型高温材料的组织性能特点，结合钎焊、扩散焊优点发展成的新技术。通过设计研制与基体材料冶金匹配的专用焊料，优化焊接工艺获得组织性能与基体相同或相近的焊接接头，满足高温部件耐高温和承力要求。在导向叶片焊接研究中，也出现过焊缝间隙控制不精确、焊缝两侧台阶过大等影响焊缝强度和局部溶蚀的问题。经过大量工艺试验研究，自主设计开发了多种高性能镍基、钴基焊料，已经获得2项发明专利授权；使Ni3Al定向凝固合金TLP扩散焊接头高温持久强度达到基体的90%以上。采用这些新焊料和高强度焊接技术，研制了高推重比发动机高(低)压涡轮导向叶片双(三)联组件，用于装机试验，研制的MGH956合金“超级冷却”多孔层板浮动壁火焰筒经过燃烧室台架试验，其冷却效率达到0.85以上、壁面温度较气膜冷却结构降低70K以上，显示出优异的冷却效果和壁温均匀性，为新型发动机研制奠定了坚实的技术基础。
  　　为解决焊接性差的粉末合金、陶瓷等构件承力部位焊接难题，研究团队将场促进条件下原子快速扩散现象引入扩散焊和粉末涂层烧结中，采用直流脉冲电源的温度控制模式直接加热陶瓷/金属、粉末合金/单晶等焊接性差的材料，开展放电等离子扩散焊技术研究，能在20分钟内实现这些难焊接材料的快速焊合，焊接接头高温抗拉强度与基体相近，可用于陶瓷及陶瓷基复合材料构件、整体叶环、涡轮整体盘等构件的焊接制造。采用直流脉冲电源的电流控制模式直接加压烧结耐磨陶瓷涂层，开展电接触烧结技术研究，能显著提高陶瓷涂层的结合强度和内聚强度，大幅度提高耐磨层的使用寿命。这些探索性研究，为未来高性能发动机研制提供技术支持。
  　　金属蜂窝壁板结构具有重量轻，比强度、比刚度高，耐高温、耐腐蚀，消音、隔热等优异性能，在航空航天领域得到广泛应用，如飞机机身、机翼、发动机舱门、发动机短舱等。近年来中航工业制造所研究出钛合金、不锈钢、高温合金等柔性蜂窝芯体精密加工技术，大面积变截面、变曲率蜂窝壁板结构高焊合率钎焊与无损检测等新技术，使柔性蜂窝芯加工精度达到0.05mm以内、蜂窝壁板结构钎焊焊合率达到90%以上，并研制出飞机前机身口盖、后机身侧壁板、起动机进气道等蜂窝壁板结构部件，在不同型号飞行器上成功应用，同时为高速飞行器防隔热轻质、高温结构研制奠定了技术基础。
  　　专用装备是工艺的载体，中航工业制造所一直注重开展专用工艺装备的研究开发。从上世纪70年代起先后开发了真空钎焊炉、真空扩散焊炉、真空电弧钎焊设备，为航空、航天、电子、石化及民用领域提供不同型号真空炉设备和焊接工艺技术，以交钥匙工程形式为军民工业先进技术发展做出贡献。目前中航工业制造所有能力为社会各界提供钎焊、扩散焊技术研发和零件的焊接加工。
  　　面对新世纪我国航空航天科技发展大潮，中航工业制造所致力于在金属间化合物材料、单晶高温合金、陶瓷及其复合材料的钎焊与过渡液相扩散焊，单晶/粉末合金、陶瓷/金属、金属基复合材料的放电等离子扩散焊领域开展钎焊/扩散焊技术研究工作，突破蜂窝壁板、涡轮叶片、多孔层板、整体叶盘、气路封严等以钎焊/扩散焊为关键制造技术的新结构工程化制造难题，并实现蜂窝封严、刷式封严环、蜂窝壁板、涡轮导向叶片、火箭发动机推力室和射流盘、以及导向器修复等零部件的批量生产，为航空航天技术研发和型号生产提供更有力的支持。
  　　钎焊／扩散焊：传承与创新的固相焊接技术
  　　钎焊是指在高温的作用下通过熔化的钎料或液相把不熔化的母材连接起来并形成冶金结合的连接方法。扩散焊是指在高温和压力的作用下，相互接触的材料表面产生原子间扩散，从而形成可靠连接的连接方法。
  　　尽管钎焊/扩散焊技术出现很早，但其发展却很缓慢。在进入20世纪之前，它还仅仅是手工作坊里的一种技艺。20世纪30年代之后，随着航空、航天、能源和核工业的迅速发展，为满足构件轻质量、高强度、高刚度、高导电性和导热性以及某些恶劣工况使用要求，大量新材料、新结构被设计和投入生产，同时也大大推动了现代钎焊/扩散焊技术的发展和广泛应用。
  　　钎焊过程原理如(图1)所示，将熔点低于母材的钎料和被钎焊零件同时均匀加热至钎焊温度，钎料熔化而被钎焊零件保持固态。熔化钎料润湿母材并在毛细作用下填充接头间隙。在随后的保温过程中，液态钎料成分向母材中扩散，使得母材近缝区发生微量溶解并与钎料相互扩散，在降温冷却过程中接头形成冶金结合。
  　　在零件钎焊前，首先要做好接头设计工作，包括以下几个方面：
  　　接头形式：经常使用的钎焊接头形式有搭接、对接、斜接及T型接等基本形式(图2)。通常搭接接头的强度最高，其次是斜接，最差的是对接。
  　　搭接长度：接头搭接长度太长，会耗费材料、增加构件重量；搭接长度太短，则不能满足强度要求。在生产实践中，搭接长度通常为钎焊金属厚度的3～4倍，但很少超过15mm。
  　　装配间隙：装配间隙是影响钎缝致密性和接头强度的关键因素之一。间隙过小，会妨碍钎料的流入；间隙过大，则破坏钎料的毛细作用，钎料不能填满接头的间隙，致使接头强度降低。一般来说，钎料与母材之间相互作用较弱，则需要较小的间隙；钎料与母材之间相互作用较强，就要求间隙较大。
  　　钎料选择：通常选用的钎料熔点应低于母材熔点几十度以上，在钎焊温度下能很好地润湿母材和填充钎缝间隙；同时与母材能发生相互扩散作用，以获得牢固的接头；钎料应不含有对母材有害的元素，能满足钎焊接头的力学、物理及化学性能方面的要求。此外，也必须考虑钎料的经济性、应尽量少用或不用稀有金属和贵重金属。
  　　在零件钎焊时，首先要对被钎焊零件进行表面处理，包括去油、除氧化膜及在零件表面镀覆镀层等；然后采用紧配合、点焊及夹具定位等方法装配、固定被钎焊零件和钎料，以保证所要求的钎焊间隙。钎料放置后应在周围涂止焊剂，以防止熔化钎料漫流铺展或将焊件与钎焊夹具粘连。钎焊过程中需控制的主要工艺参数是钎焊温度和保温时间，以保证钎料能充分润湿母材并填充钎焊间隙，形成致密的钎焊接头。
  　　在零件钎焊后，可根据零件使用要求，对被钎焊零件进行后续的扩散热处理，以提高接头力学性能。对于使用钎剂的接头，钎焊后需要将接头清洗干净。
  　　扩散焊过程原理是在真空或保护气氛环境下，相互接触的待焊零件表面在一定温度和压力的作用下发生微观塑性变形形成紧密结合，界面处金属原子发生相互扩散，最终形成冶金结合接头。为满足涡轮叶片等热端部件高性能连接需求，在借鉴传统的钎焊、扩散焊技术优点的基础上，创新发展了新型的过渡液相扩散焊(TLP)技术。其基本原理是：在待焊面预先放置成分相近但熔点低于母材的中间层，在保温过程中，中间层熔化并与母材发生成分扩散，使得接头在保温过程中发生等温凝固，在随后扩散过程中实现成分与组织的均匀化，最终获得高性能冶金结合。介于钎焊与扩散焊之间的过渡液相扩散焊的基本操作过程与钎焊相似，但接头性能显著提高，因此在航空航天领域得到了广泛应用。
  　　由于钎焊/扩散焊时工件整体加热或钎缝周围大面积均匀加热，因此焊后工件变形小，易于保证工件尺寸，且只要工艺选择得当，可使接头性能与母材相近，同时做到无需加工而“天衣无缝”，因此非常适合精密零件高可靠连接。此外，可根据母材熔点选择比母材熔化温度低的钎料进行焊接，从而避免了钎焊加热对母材组织特性的改变，因此也非常适合异种金属之间，甚至金属与非金属，非金属与非金属之间的连接。
  　　不同结构材料的零件要求采用不同的钎焊方法，不同的钎焊方法对应不同的钎焊设备。在20世纪五六十年代，所使用的材料主要为碳钢、铝合金、不锈钢等，相应的钎焊工艺方法是盐浴钎焊、火焰钎焊、保护气氛炉中钎焊等。随着科技的不断进步，先进钛合金和高温合金材料在工业领域逐渐推广应用，为实现零件小变形、不氧化和高性能连接等要求，主要采用真空钎焊、过渡液相扩散焊等新的钎焊/扩散焊方法，主要设备为真空钎焊炉。同时，为满足特定需求，开发了相应的新型钎焊工艺和装备，如真空或气体保护条件下的感应钎焊、真空电弧钎焊、电子束钎焊和激光钎焊等。
  　　航空发动机是钎焊/扩散焊应用最广泛的领域之一。欧美各主要航空发动机制造公司非常重视钎焊/扩散焊技术的研究，通过研制新型钎料和中间层材料、开发新型钎焊/扩散焊工艺和装备，使得钎焊/扩散焊技术逐步从发动机冷端非受力部件扩大到热端受力的关键部件。例如，美国普惠公司JT3D和JT8D发动机压气机静子环，JT9D发动机涡轮叶片、燃油总管、不锈钢热交换器，英国罗罗公司斯贝发动机高压一级涡轮叶片、RB211和V2500发动机钛合金风扇叶片均采用钎焊/扩散焊方法制备。其中仅JT3D发动机上的钎焊组件就已多达220余件。
  　　随着先进推进系统的发展，异种金属材料、陶瓷与金属、金属间化合物、定向凝固、单晶叶片、气膜冷却复杂结构高温部件的制造越来越依赖于钎焊/扩散焊技术的不断创新发展，这是进入21世纪以来技术进步的大趋势，因此可以预见，钎焊/扩散焊这一古老的技艺，必将在21世纪科技进步的大潮中迎来久违的春天。(张胜 李菊 静永娟)