擴散處理對鎳基高溫合金大間隙釬焊接頭組織和性能的影響

潘 暉，趙海生，劉永超，程耀永

（北京航空材料研究院焊接與塑性成形研究所，北京100095）

擴散處理對鎳基高溫合金大間隙釬焊接頭組織和性能的影響

潘 暉，趙海生，劉永超，程耀永

（北京航空材料研究院焊接與塑性成形研究所，北京100095）

采用含有Nb、Al、Ti的鎳基釬料釬焊大間隙K465鎳基高溫合金，研究擴散處理對接頭組織和性能的影響。結(jié)果表明，釬焊狀態(tài)下K465鎳基高溫合金大間隙接頭組織由γ+γ′相，塊狀γ′相及硼化物、硅化物及硼碳、硅碳復合化合物構(gòu)成，液相擴散處理有利于元素擴散，明顯改善接頭組織性能，固相擴散接頭組織性能改善不明顯。

釬焊；鎳基高溫合金；擴散處理；鎳基釬料

0 前言

實驗采用含有Nb、Al、Ti的鎳基釬料，Nb、Al、Ti都是γ′相形成元素。少量Nb是高溫合金中重要的強化元素，一方面可以固溶在γ基起到獨特的固溶強化作用；另一方面是γ′相形成元素，可進入γ′相置換一部分Al、Ti，促進γ′相析出，延緩γ′相聚集長大過程，提高γ′相的固溶溫度，因而提高高溫合金強度[1]。w（Nb）=1.22％時合金性能最佳，當w（Nb）＞2.07％時性能下降[2]。

含鈮釬料釬焊接頭組織據(jù)文獻報道由γ固溶體及（γ+γ′）共晶組織及化合物相構(gòu)成[3-5]，接頭組織中有富含Nb的Ni3Si相[3-4]；另有報道接頭組織為γ+γ′雙向組織，機體上分布硅化物、碳化物、碳硼復合化合物、碳硼硅復合化合物等相[6]。

本研究的目的是了解含Nb、Al、Ti釬料大間隙釬焊鎳基高溫合金接頭組織構(gòu)成及擴散處理對接頭組織性能的影響。

1 試驗材料、方法與設(shè)備

試驗用母材為K465鎳基鑄造高溫合金，釬料為含Nb、Al、Ti的鎳基釬料，高溫合金粉為+300～-200目K465粉末。

真空釬焊試驗采用真空爐，最高溫度達1300℃，真空度可達1×10-3Pa，采用掃描電鏡分析組織。

釬焊接頭采用對接形式，間隙0.5 mm，預填合金粉，研究接頭組織構(gòu)成及擴散處理對接頭組織及性能的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 釬焊接頭組織

母材為K465鑄造高溫合金，釬焊間隙0.5 mm，預填鎳基高溫合金K465粉，采用含Nb、Al、Ti的鎳基釬料，釬焊工藝1 220℃保溫30 min，獲得釬焊接頭組織如圖1所示。釬焊狀態(tài)下釬料熔化流入金屬顆粒間隙，冷卻后形成接頭，接頭組織由金屬顆粒及由釬料形成的顆粒間相構(gòu)成。

顆粒內(nèi)主要為γ基上均勻分布γ′相的γ+γ′雙相組織，其化學成分見表1成分5，由于K465顆粒中Al、Ti含量高，因而γ′相數(shù)量多，呈方形，尺寸均勻約為0.5 μm。

圖1 釬焊狀態(tài)下接頭組織

由于釬料中含有Al、Ti及較高的Nb，而合金粉中Al、Ti含量高，使得Al、Ti及Nb不易擴散至顆粒中，γ′相形成因子高，因而顆粒間形成大量不規(guī)則形狀大塊狀γ′相（表1成分4）。

釬料中的Si、B、C與金屬元素形成白色細小短條狀高W硼化物碳化物復合相（表1的點1）、絮狀或不規(guī)則小塊狀淺灰色硼化物（表1的點2）和深灰色不規(guī)則小塊狀硅化物碳化物復合相（表1的點3），分布于顆粒間及顆粒邊緣的γ+γ′雙相組織基上。此外針狀高W化合物與淺灰色和深灰色硼化物、硅化物等往往相伴而生，顆粒間γ+γ′雙相組織中γ′相形狀不規(guī)則、尺寸不均勻。Nb分布于顆粒內(nèi)及顆粒間，顆粒間化合物相內(nèi)含量高于大塊γ′相及γ+γ′雙相組織。

由上述分析可見，含有Nb、Al、Ti的鎳基釬料真空釬焊大間隙K465鎳基高溫合金，預填K465合金粉，釬焊狀態(tài)下接頭組織由γ+γ′雙相組織、不規(guī)則塊狀γ′相及硼化物、硅化物及硼碳、硅碳復合化合物相構(gòu)成。

2.2 擴散處理對釬焊接頭組織影響

1 220℃/32 h高溫長期擴散后接頭組織見圖2，合金粉顆粒長大，直徑約為原來的2倍；化合物相明顯減少，且有短條狀、絮狀等轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀；不規(guī)則大塊狀γ′轉(zhuǎn)變?yōu)棣?γ′雙相組織。

1 180℃/30 h固相擴散后，合金粉顆粒長大不明顯；化合物相數(shù)量變化不明顯，形態(tài)發(fā)生明顯變化，由原來的條狀、羽狀等變?yōu)樾K狀；不規(guī)則形狀的大塊狀γ′相仍存在。

2.3 擴散處理對釬焊接頭性能影響

測試溫度975℃、應力113 MPa，測試不同狀態(tài)下釬焊接頭持久壽命性能見表2。1 180℃/30 h固相擴散接頭性能略有改善，1 220℃/32 h液相擴散接頭性能改善。

1 180℃溫度下釬料為固態(tài)，元素擴散速度慢，因此顆粒間仍存在大量不規(guī)則形狀塊狀γ′相，而塊狀γ′相性能較低，此外雖然化合物相形狀有所改善，但數(shù)量未減少，因此性能改善有限；而1 220℃擴散時釬料為液態(tài)，元素擴散速度快，擴散充分，化合物相明顯減少，且呈小塊狀，不規(guī)則塊狀γ′相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?γ′雙相組織，性能明顯改善，如圖3所示。

圖3 1180℃/30 h高溫長期擴散后不同放大倍數(shù)釬縫組織

表2 釬焊接頭不同狀態(tài)下持久性能

3 結(jié)論

（1）釬焊狀態(tài)下，K465鎳基高溫合金大間隙接頭組織由γ+γ′雙相組織、不規(guī)則塊狀γ′相及硼化物、硅化物及硼碳、硅碳復合化合物相構(gòu)成。

（2）液相擴散處理有利于元素擴散，組織性能改善明顯，固相擴散接頭組織性能改善不明顯。

[1]稀有金屬應用編寫組.稀有金屬應用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984：258.

[2]李玉清，陳國勝.高溫合金中臺鈮鎢和鉬的某些晶界析出行為[J].上海金屬，2002，24（3）：13-17.

[3]梁海，毛唯，孫計生.K465鑄造高溫合金高溫釬焊接頭的顯微組織[J].材料工程，2005（9）：7-10.

[4]韓峰，王斌，孔慶吉，等.K465合金及K465與GH3039異種合金的釬焊[J].焊接技術(shù)，2011，40（5）：26-28.

[5]梁海，葉雷，毛唯.大間隙釬焊用混合粉狀高溫鎳基釬料的濕性和顯微組織[J].航空材料學報，2012，32（4）:20-25.

[6]毛唯，周媛，葉雷，等.不同釬料釬焊K465高溫合金接頭的組織和性能[J].電焊機，2008，38（9）：65-68.

Effect of diffusion treatment on microstructure and mechanical property of wide gap brazed joints of nickel-based superalloy

PAN Hui，ZHAO Haisheng，LIU Yongchao，CHENG Yaoyong
（Welding and Plastic Forming Division，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

The wide-gap brazingofK465 nickel-based superalloywas conducted usingnickel-based brazingalloywith elements ofNb，Al and Ti.Effect of post-brazing diffusion treatment on microstructure and mechanical property of brazed joints was studied.The results showed that Y+Y′phase，blocky phase of Y′and borides，silicides，boron-carbides and carbon-silicides formed in the brazing seam. Microstructure and mechanical property of the brazed joints were improved after diffusion treatment above the melting temperature of the brazing alloy for it was good for element diffusion，but these were not improved after diffusion treatment bellow the melting temperature of the brazingalloy.

braze；nickel-based alloy；diffusion；nickel-based brazing alloy

TG425

A

1001-2303（2016）07-0004-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.02

2015-09-09

潘暉（1969—），男，碩士，主要從事新型航空材料及復雜構(gòu)件的釬焊與擴散焊以及航空發(fā)動機葉片的釬焊修復工作。