KNi10真空釬焊ODS高溫合金MGH956組織和性能研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室 孫相濤 滕俊飛 侯金保 張 勝 張 蕾

氧化物彌散強化（Oxide Dispersion Strengthened，簡稱ODS）合金以其高溫抗氧化、高溫抗腐蝕、高溫抗疲勞以及低的缺口敏感性等多種性能優(yōu)勢，尤其是1000℃以上力學性能優(yōu)于單晶高溫材料，成為備受青睞的一類高溫合金[1-2]，其中，F(xiàn)e基ODS合金是目前已有的ODS中使用溫度最高的材料，可長時間在1200℃以上的溫度下工作，是航空航天飛行器熱端部件(如發(fā)動機燃燒室浮動壁、高超飛行器金屬熱防護系統(tǒng))的首選材料。采用MGH956合金制造的耐高溫構件均需用到釬焊技術，因此本文開展對該材料真空釬焊的研究。

1 試驗材料、方法及設備

MGH956合金為鋼鐵研究總院近些年研究成熟的一類ODS高溫合金，該合金采用機械合金化方式制備，基體成分為Fe-Cr-A l的固溶體組織，納米級Y2O3顆粒作為彌散強化相添加其中，MGH956合金的化學成分如表1所示。該材料為扁平狀的盤狀晶組織，圖1（a）、（b）分別是平行于和垂直于盤狀晶面的晶粒形貌。試驗材料的熱處理條件是1350℃下4h時效處理。

試驗用釬料為自制釬料KNi10，鎳基釬料KNi10是在 Ni的基礎上加入 Cr、W、Mo、Co、Al、B、Ti、Si等元素。其中Ni是奧氏體主要形成元素，也是強化相γ′的形成元素。Co除了與鎳能夠形成無限固溶體起固溶強化作用外，其主要作用是提高焊縫的腐蝕性抗力和熱疲勞抗力。W、Mo、Cr為主要的固溶強化相，同時Cr還能提高焊縫金屬的抗氧化性和抗熱腐蝕的能力。Al是強化相γ′的主要形成元素。加入B、Si元素主要是降低釬料熔點和提高釬料的流動性和潤濕性。元素Ti能提高釬料對氧化物的潤濕性能，減少焊縫中氧化物的聚集，從而可以提高焊縫接頭性能（見圖2）。釬料的熔化溫度在1150～1200℃之間。

表1 MGH956合金成分構成%

圖1 不同方向上MGH956合金的晶粒形貌Fig.1 Grain morphology of MGH956 Alloy at different directions

圖2 釬料KNi10成分示意圖Fig.2 Diagram of KNi10 solder composition

試驗在VBF-80真空釬焊爐中進行，釬焊時真空度優(yōu)于8.0×10-3Pa，開展不同釬焊溫度和不同焊縫間隙的釬焊試驗，焊縫間隙選擇為20μm和50μm，焊接溫度為 1220℃、1240℃、1260℃。

2 試驗結果及討論

2.1 不同釬焊溫度的影響

研究發(fā)現(xiàn)，使用釬料KNi10在1240℃、1260℃下進行釬焊時，在釬料堆積處存在多處氣孔，其最大直徑超過2mm。分析認為，這些氣孔的形成和母材的材質(zhì)有關。MGH956合金采用的是機械合金化的制備方法，材料中存在著一定量的不溶于合金的惰性氣體Ar。采用KNi10釬焊MGH956合金時，釬料熔化后，隨著釬料中降低熔點元素B、Si向母材的擴散，靠近焊縫的母材被溶解，原來覆蓋于母材表面之下的氣體被釋放出來。釋放出的氣體在釬料堆積處聚集，由于高溫保溫時間短及液態(tài)釬料的表面張力作用，這些氣體來不及溢出便形成了氣孔。由于是在真空5×10-3Pa環(huán)境下，所以微量的氣體也會形成氣孔。

2.2 不同焊縫間隙的影響

（1）預置焊縫間隙為50μm。

試驗結果顯示，隨著焊接溫度的升高，焊縫寬度變寬，釬料對母材的溶解量增大，焊縫的成分分布趨于均勻，升高到1240℃和1260℃后，焊縫基體成分與焊縫兩側母材的成分相近。對焊縫基體為Fe基的固溶體組織，在1220℃下釬焊的焊縫中，F(xiàn)e元素的分布在焊縫兩側高，焊縫中心低；在1240℃、1260℃釬焊的焊縫中，焊縫基體的成分分布均勻，達到了與焊縫兩側母材成分一致的水平，但在1260℃下，焊料對母材的溶解量比1240℃大，溶蝕明顯。

在不同的焊接溫度下釬焊的焊縫構成相似，焊縫主要有：

· 焊縫基體， Fe-Ni基固溶體組織；

·焊縫中的中間相，主要包括兩種，黑色中間相主要成分為Cr、Fe，推測為鐵鉻的化合物相，并溶解有一定的Co、Ni、W等元素；白色相為細長條狀，該中間相主要為Cr、Ni、Fe，并固溶有一定的 Co、Ti等元素，推斷該化合物為Ni、Cr、B的三元化合物或者成分更為復雜的化合物；

·焊縫中的夾雜。

（2）預置焊縫間隙為20μm。

在不同的焊接溫度下，預置焊縫間隙為20μm時焊縫形貌無顯著差異，對其進行成分分析可以發(fā)現(xiàn)，即使在1220℃下，焊縫成分分布也達到了與母材接近的水平。與相同溫度下、預置焊縫間隙為50μm的焊縫相比，共同點是：焊縫均由焊縫基體、中間化合物、夾雜和孔洞構成； 不同點是：焊縫中有焊縫的孔隙數(shù)量相對較少，焊縫成分分布更均勻，焊縫中含有較少的中間相，尤其是白色的低熔點共晶組織。

2.3 釬焊試件的高溫拉伸性能測試

對采用釬料KNi10釬焊MGH956合金的試件進行了1000℃高溫拉伸性能測試，焊縫間隙為20μm，焊接過程為1240℃/10min，之后進行1000℃/30min的擴散處理，試驗結果如表2所示。母材1000℃高溫拉伸強度為90MPa，接頭的平均高溫強度為母材強度90%左右，接頭斷裂于焊縫及靠近焊縫的母材。

表2 1000℃拉伸試驗結果

3 結論

（1）采用自制焊料KNi10實現(xiàn)了MGH956合金的釬焊，焊縫主要由Fe基焊縫基體組織和化合物構成。

（2）對MGH956合金焊縫組織進行了組織觀察和分析，比較焊縫組織認為1240℃、20μm是相對合適的參數(shù)。

（3）采用釬料KNi10釬焊MGH956合金，實現(xiàn)了接頭1000℃高溫強度達到母材90%的性能指標。

[1] 田耘．高性能航空燃氣渦輪動力技術用多孔層板結構MGH956合金的研制．北京:鋼鐵研究總院，2002.

[2] 曹義,程海峰,肖加余,等．美國金屬熱防護系統(tǒng)研究進展.宇航材料工藝,2003,33(3)：9-12.