商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件焊接工藝分析

中航商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 張 露 韓秀峰 王 倫

盤軸類轉(zhuǎn)動件的使用條件苛刻，因此在采用焊接工藝進(jìn)行連接時，對焊接質(zhì)量提出了更高的要求。用于焊接式盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接技術(shù)除了要滿足變形小、無氧化、高強(qiáng)度以及高的焊接尺寸精度等要求外，還應(yīng)針對商用航空發(fā)動機(jī)長壽命、高可靠性的特點(diǎn)，保證高的工藝質(zhì)量穩(wěn)定性要求。

目前，電子束焊和慣性摩擦焊是商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件進(jìn)行連接采用的主要焊接工藝。本文介紹了電子束焊和慣性摩擦焊工藝在盤軸類轉(zhuǎn)動件的應(yīng)用情況，并分析、對比了焊接工藝及焊接接頭的組織與性能。

1 盤軸類轉(zhuǎn)動件中的主要焊接工藝

電子束焊和慣性摩擦焊在國內(nèi)外先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件中已經(jīng)有比較成熟的應(yīng)用，采用上述焊接工藝進(jìn)行連接的盤軸類轉(zhuǎn)動件主要有：風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)盤/轂筒、渦輪盤軸組件。

表1列出了電子束焊和慣性摩擦焊在國外先進(jìn)商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件中的應(yīng)用情況。由表1可知，國外在進(jìn)行先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接工藝設(shè)計時，對電子束焊和慣性摩擦焊這兩種焊接方法有不同的選擇。其中，GE公司最先對轉(zhuǎn)動件采用慣性摩擦焊，其發(fā)動機(jī)中絕大部分轉(zhuǎn)動件，包括風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪盤軸組件等采用慣性摩擦焊；R.R.公司主要采用電子束焊，但隨著壓氣機(jī)壓比及出口溫度的增加，同時壓氣機(jī)末級盤采用粉末合金，R.R.公司也開始選用慣性摩擦焊，并建立了2000t的慣性摩擦焊生產(chǎn)線，在Trent 1000發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪后短軸和渦輪盤轉(zhuǎn)子組件上均采用了慣性摩擦焊；P&W公司對使用溫度較低的轉(zhuǎn)子部件主要采用電子束焊。

2 盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接工藝性分析

材料的可焊性是焊接工藝性分析最重要的考慮因素，針對盤軸類轉(zhuǎn)動件中常用的材料，包括Ti17、IN718等，其電子束焊和慣性摩擦焊的可焊性均較好，可以獲得滿足設(shè)計需求的焊接接頭。

表1 電子束焊和慣性摩擦焊在國外先進(jìn)商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件中的應(yīng)用

但是，隨著新型高溫合金、粉末合金（如U720Li、Rene'88DT、RR1000等）在轉(zhuǎn)動件中的逐步應(yīng)用，尤其對于異種材料的轉(zhuǎn)動件，電子束焊工藝難以獲得滿意的焊接接頭，主要原因是：

（1）新型高溫合金中，含有高體積百分比的γ′強(qiáng)化相，成分復(fù)雜，熔焊時容易形成結(jié)晶裂紋、熱影響區(qū)液化裂紋和應(yīng)變時效裂紋，而且這一問題隨著γ′相含量的增加而趨嚴(yán)重；

（2）異種材料之間的焊接由于組織、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等的差異，在熔焊過程中會引起某些化學(xué)成分的擴(kuò)散，造成組織偏析，并可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成裂紋等缺陷；

（3）由晶界液化而產(chǎn)生的微裂紋難以避免，而且難以通過無損檢測方法檢查出來。

慣性摩擦焊的焊接過程是固相焊接，很好地避免了熔化焊過程中產(chǎn)生的裂紋問題和質(zhì)量檢測問題，因此，針對高溫盤軸類轉(zhuǎn)動件的同種/異種新型高溫合金的連接，慣性摩擦焊成為目前唯一可行的方法。

正是由于在Trent 1000發(fā)動機(jī)中應(yīng)用了RR1000粉末高溫合金這種新型高溫合金，R.R.公司采用了慣性摩擦焊工藝連接盤軸類轉(zhuǎn)動件。

另外，在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了實現(xiàn)減重和降低成本的目的，異種材料的焊接，尤其是新型高溫合金的異種材料連接，成為航空發(fā)動機(jī)中盤軸類轉(zhuǎn)動件之間進(jìn)行連接的新形式。GE公司已將異種材料的慣性摩擦焊應(yīng)用于GE90發(fā)動機(jī)的盤軸類轉(zhuǎn)動件中，該發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)8～10級轂筒中，既有IN718與Rene'88DT異種材料的焊接，也有Rene'88DT同種材料的焊接。R.R.公司也對U720Li、RR1000新型高溫合金相關(guān)同種材料以及異種材料的慣性摩擦焊工藝進(jìn)行了研究。

可以看出，對于普通的鈦合金、高溫合金等盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接，采用電子束焊或慣性摩擦焊都是可行的焊接方法。但針對新型高溫合金，尤其是新型高溫合金異種材料之間的連接，慣性摩擦焊是目前實現(xiàn)轉(zhuǎn)動件焊接唯一可行的方法。

3 電子束焊和慣性摩擦焊接頭的組織與性能對比

電子束焊和慣性摩擦焊的焊接機(jī)理不同：電子束焊是熔化焊接，而慣性摩擦焊是固態(tài)焊接。因此，兩種焊接工藝對焊接接頭的組織狀態(tài)、晶粒大小和接頭性能也會產(chǎn)生不同的影響。

3.1 鈦合金焊接接頭的組織與性能對比

航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件常用的鈦合金主要為Ti-6Al-4V、Ti17、Ti6246、Ti6242等，其主要應(yīng)用的盤軸類轉(zhuǎn)動件為風(fēng)扇盤和壓氣機(jī)低溫端。

對于鈦合金，采用電子束焊和慣性摩擦焊兩種方法獲得的接頭組織不同，但接頭性能差別不大。以轉(zhuǎn)動件中常用的α-β型Ti17合金為例，其電子束焊接頭的焊縫區(qū)顯微組織中β相基體上分布著細(xì)長針狀α相，β晶粒尺寸為50μm～120μm；熱影響區(qū)顯微組織與母材組織一致，平均晶粒尺寸約為180μm[1]。慣性摩擦焊接頭為細(xì)晶的鍛造組織，熱影響區(qū)組織為α+β相，并且β相呈針狀均勻分布在α相的基體上，與母材組織相同，焊縫組織為細(xì)小的等軸晶，晶粒度小于母材[2]。Ti17合金的電子束焊和慣性摩擦焊的接頭組織相差較小，其接頭性能也差別不大：Ti17合金電子束焊接頭的抗拉強(qiáng)度和缺口敏感性均高于母材；其慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度稍高于或等于母材強(qiáng)度，塑形略低于母材，接頭疲勞性能與母材相當(dāng)。因此，在航空發(fā)動機(jī)鈦合金盤軸類轉(zhuǎn)動件焊接結(jié)構(gòu)中，電子束焊和慣性摩擦焊的應(yīng)用均非常廣泛。

3.2 高溫合金焊接接頭的組織與性能對比

在商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件中，應(yīng)用最為成熟的高溫合金是IN718合金，隨著航空發(fā)動機(jī)壓比的提高，對盤軸類轉(zhuǎn)動件的使用溫度和性能提出了更高要求，因此，新型高溫合金U720Li、Rene'88DT、RR1000等成為高壓壓氣機(jī)高溫端的重要材料。

3.2.1 同種高溫合金的電子束焊和慣性摩擦焊

（1）IN718合金。

針對成熟盤軸類轉(zhuǎn)動件中的IN718合金，國內(nèi)外分別對其電子束焊和慣性摩擦焊接頭的組織和性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。

在焊接過程中，電子束焊的焊縫區(qū)的溫度達(dá)到母材的熔化溫度（約1300℃），因此，電子束焊接頭的組織會發(fā)生較大的變化；慣性摩擦焊焊縫則是在強(qiáng)大的摩擦壓力和扭矩的聯(lián)合作用下形成的，熱變形金屬的動態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行得相當(dāng)劇烈而充分，其晶粒組織呈細(xì)小均勻的等軸晶特征，同時由于焊接時間很短，致使動態(tài)再結(jié)晶過程充分而動態(tài)回復(fù)不足，最終得到細(xì)晶和超細(xì)晶組織。一般來說，在IN718合金母材晶粒度相同的情況下，電子束焊接頭為粗大的鑄造枝晶組織，晶粒會達(dá)到20μm～30μm，而慣性摩擦焊的焊縫組織為鍛態(tài)組織，晶粒度為10μm～20μm。另外，電子束焊接頭的熱影響區(qū)在焊接過程中的溫度一般會達(dá)到700℃～1200℃，即熱影響區(qū)處于熱處理狀態(tài)，晶粒長大使其成為接頭的最薄弱環(huán)節(jié)；而慣性摩擦焊熱影響區(qū)很小，且不存在晶粒長大現(xiàn)象，因此對焊接接頭性能無明顯影響。

由于焊接接頭的組織差別較大，IN718合金在采用不同焊接方法后，其性能也有較大區(qū)別。電子束焊接頭由于組織粗大，通常其拉伸性能、斷裂性能、高溫斷裂韌度均低于母材[3-5]。而IN718合金在慣性摩擦焊過程中γ′強(qiáng)化相在鄰近焊縫處溶解，并不會發(fā)生沉淀，其接頭的組織仍是與母材相同的鍛態(tài)組織，同時晶粒度與母材相近，因此，其接頭的強(qiáng)度、塑性、顯微硬度和高溫持久性能一般接近甚至高于母材[6-7]。

可見，IN718合金的電子束焊和慣性摩擦焊接頭在組織上存在較大差異，電子束焊接頭的粗大組織造成其接頭性能低于母材，而慣性摩擦焊接頭的細(xì)晶組織使得其性能接近甚至高于母材。

（2）新型高溫合金。

由于電子束焊是熔化焊過程，而新型高溫合金（U720Li、Rene'88DT、RR1000）中γ'強(qiáng)化相的體積百分比比較高，因此在電子束焊的熔化過程中容易產(chǎn)生各種裂紋缺陷，而慣性摩擦焊過程是固相焊接，通過發(fā)生塑性變形和流動進(jìn)行連接，不會產(chǎn)生熔化，因此不會產(chǎn)生電子束焊接出現(xiàn)的缺陷問題。

MTU公司開展多年的粉末冶金高溫合金慣性摩擦焊工藝研究，研究結(jié)果表明：慣性摩擦焊是焊接粉末高溫合金的最佳工藝方法，其中Udimet700、Waspaloy、IN100和Rene'95粉末高溫合金焊接接頭的力學(xué)性能接近母材或與母材等強(qiáng)。

近幾年，國外先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)公司針對盤軸類轉(zhuǎn)動件的設(shè)計需求，聯(lián)合各高校對U720Li、RR1000、Rene'88DT、IN718等高溫合金同種材料之間的慣性摩擦焊進(jìn)行了廣泛的研究。研究表明：U720Li、RR1000高溫合金在進(jìn)行慣性摩擦焊時，由于發(fā)生溶解的γ'強(qiáng)化相在冷卻過程中發(fā)生大量沉淀，使得其在熱影響區(qū)的硬度和屈服強(qiáng)度較高[8]。

在國內(nèi)，針對新型粉末高溫合金FGH96的慣性摩擦焊工藝尚處于研究階段。目前的研究結(jié)果表明，F(xiàn)GH96慣性摩擦焊接頭的拉伸曲線與母材基本相同；焊接接頭常溫拉伸的斷裂位置在接頭熱影響區(qū)細(xì)晶組織和粗晶組織的結(jié)合處，其斷裂方式為韌性斷裂[9]。

3.2.2 異種高溫合金的電子束焊和慣性摩擦焊

為了追求高的壓氣機(jī)效率，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)末級已開始采用新型高溫合金、粉末合金，因此異種材料的焊接結(jié)構(gòu)成為必要的結(jié)構(gòu)形式。在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件中，異種高溫合金之間的連接主要涉及到IN718合金和新型高溫合金之間進(jìn)行的連接。由于新型高溫合金中γ′強(qiáng)化相的體積百分比較高，成分復(fù)雜，異種材料之間的組織和物理性能方面存在較大差異，電子束焊可焊性較差，缺陷不易檢測，接頭性能不能滿足設(shè)計需求，因此，針對異種高溫合金轉(zhuǎn)動件，慣性摩擦焊成為唯一可行的焊接方法。

從國外的研究結(jié)果中可以看出，U720Li+IN718、RR1000+IN718異種材料之間的慣性摩擦焊可焊性良好，其焊縫中無微小孔洞、微小裂紋和明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象[10]。U720Li+IN718慣性摩擦焊接頭性能一般高于較弱的母材，低于較強(qiáng)的母材，例如：其焊接接頭的屈服強(qiáng)度、650℃的疲勞性能高于較弱的母材IN718，低于 U720Li；650℃的延伸率高于 U720Li，低于 IN718[11]。RR1000+IN718慣性摩擦焊接頭在焊后熱處理后，硬度高于IN718和RR1000母材，但由于晶界的氧化，裂紋的擴(kuò)展速率較母材高[12]。

4 圍繞商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件需開展的焊接工藝研究

電子束焊和慣性摩擦焊作為商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件制造的重要焊接工藝，已經(jīng)成功應(yīng)用于國外多種先進(jìn)商用航空發(fā)動機(jī)型號，同時，國外不斷開展對新材料和新結(jié)構(gòu)焊接工藝的研究，積累了大量試驗數(shù)據(jù)。國內(nèi)在這方面仍存在較大的差距，不能完全滿足商用航空發(fā)動機(jī)的研制需求，需要從以下兩個方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

（1）新材料/新結(jié)構(gòu)焊接工藝的研究。

隨著國內(nèi)大客發(fā)動機(jī)研制項目的開展，盤軸類轉(zhuǎn)動件需要采用新材料和新結(jié)構(gòu)以滿足商用航空發(fā)動機(jī)長壽命、高可靠性和低成本等設(shè)計要求。但由于國內(nèi)針對新材料和新結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)研究基礎(chǔ)較為薄弱，因此需要盡快針對新材料（如新型鈦合金、高溫合金、粉末合金）開展相關(guān)焊接工藝研究，包括可焊性研究、組織與性能研究、焊前/焊后熱處理制度研究等。

（2）焊接接頭性能數(shù)據(jù)的測試。

盤軸類轉(zhuǎn)動件的載荷條件嚴(yán)苛，根據(jù)商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件的使用條件，主要對焊接接頭的以下性能，包括拉伸、沖擊、扭轉(zhuǎn)、蠕變、持久、疲勞等性能有明確要求，并且需要通過對焊接接頭進(jìn)行斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展等性能的分析，對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測。國內(nèi)目前針對盤軸類轉(zhuǎn)動件焊接接頭的性能數(shù)據(jù)測試不充分，需要系統(tǒng)地進(jìn)行接頭性能數(shù)據(jù)的測試，為焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)束語

電子束焊和慣性摩擦焊作為商用航空發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件制造的重要工藝，已經(jīng)成功應(yīng)用于國外多種先進(jìn)商用航空發(fā)動機(jī)型號。隨著我國大客發(fā)動機(jī)研制項目的展開，對盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接工藝提出了長壽命、高可靠性等更高的要求，尤其是新材料在大客發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動件中的應(yīng)用，需要加快焊接技術(shù)的研究，實現(xiàn)焊接技術(shù)在大客發(fā)動機(jī)盤軸類轉(zhuǎn)動件中的工程化應(yīng)用。

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