第三代鎳基單晶高溫合金大間隙釬焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能

李可馨, 侯星宇, 王詩洋, 孫 元*, 陳立佳, 程陸凡,王振江, 李寒松, 湯廣全

（1．沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；2．中國科學(xué)院金屬研究所 師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，沈陽 110016；3．中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241；4．遼寧中科博研科技有限公司，沈陽 113122）

第三代鎳基單晶高溫合金承溫能力較第一代和第二代分別提高了約60 ℃和30 ℃，是目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ膯尉Ц邷睾辖?，?yīng)用于正在預(yù)研的未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片[1-2]。而為了提高單晶葉片的承溫能力，需要將其設(shè)計(jì)成內(nèi)部氣冷通道更加復(fù)雜的空心結(jié)構(gòu)，但依靠目前的鑄造技術(shù)，難以將具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的葉片進(jìn)行一次鑄造成型，需要配合高性能連接技術(shù)進(jìn)行制造[3]。

第三代鎳基單晶高溫合金中添加了大量的強(qiáng)化元素，這使得其焊接難度增加[4-8]。對于單晶材料最常采用的連接方法為釬焊和瞬態(tài)液相連接（transient liquid phase bonding，TLP）。TLP是將薄層低熔點(diǎn)中間層合金放置于待焊材料表面中間，對其加熱并施加微小壓力，中間層合金熔化形成低熔點(diǎn)液相并潤濕母材，溶質(zhì)原子擴(kuò)散發(fā)生等溫凝固最終形成組織均勻的接頭[9]。TLP通常需要較長的時(shí)間來進(jìn)行元素的擴(kuò)散進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保溫過程中的等溫凝固，較長的保溫時(shí)間會(huì)使高溫合金母材性能降低，而且對焊接間隙要求高，只適用于小間隙焊接[10]。釬焊是采用熔點(diǎn)低于母材的金屬材料作為釬料，將釬料和母材共同加熱到低于母材熔點(diǎn)但高于釬料熔點(diǎn)的溫度，這時(shí)釬料熔化變?yōu)橐簯B(tài)填充焊縫間隙，潤濕母材并與母材相互作用實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法[11]。

釬焊的加熱溫度低、熱循環(huán)時(shí)間短，對母材的影響?。唤宇^殘余應(yīng)力小，形狀適應(yīng)性較好，因此適用于連接或修復(fù)形狀和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零部件。然而，釬焊是利用毛細(xì)作用使釬料流入焊接間隙，所以只適用于裝配精度較高的小間隙（小于0.15 mm）。在實(shí)際應(yīng)用中，保證這樣精度的間隙不僅難以實(shí)現(xiàn)而且費(fèi)用較高，于是出現(xiàn)了大間隙釬焊。大間隙釬焊技術(shù)是通過向釬料中填加高熔點(diǎn)合金粉或纖維，合金粉起到橋梁作用，解決了焊縫間隙過大導(dǎo)致釬料無法通過毛細(xì)作用在焊縫中鋪展的問題；同時(shí)，合金粉可起擴(kuò)散島的作用，使接頭中大面積的脆性相難以產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)大間隙焊縫的高性能釬焊[12-13]。

目前為止，單晶高溫合金釬焊的研究多集中于第二代單晶高溫合金釬焊工藝對接頭組織與性能的影響[14-17]，但關(guān)于第三代單晶高溫合金的釬焊，尤其是大間隙釬焊的研究較少。本工作選用與待焊接的母材相同的第三代鎳基單晶高溫合金的合金粉與JSSNi60A鎳基釬料按不同配比混合，制備出幾種混合粉末釬料。研究并分析混合粉末釬料中高熔點(diǎn)合金粉比例對接頭的顯微組織的影響，討論接頭的顯微組織演變規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

母材為中國科學(xué)院金屬研究所研制的一種新型含Re第三代鎳基單晶高溫合金，其熔點(diǎn)超過1300 ℃，主要化學(xué)成分如表1所示。在定向凝固爐中采用選晶法制備出具有[001]取向的單晶棒，單晶棒直徑為13 mm，按照母材合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度進(jìn)行固溶處理。利用電火花加工設(shè)備將單晶棒切割成厚度為1 mm和1.5 mm的兩種待焊試樣。試樣的待焊表面經(jīng)400#砂紙打磨，磨去機(jī)械加工留下的劃痕，放入丙酮溶液中超聲波清洗15 min，清潔待焊樣品表面。

實(shí)驗(yàn)用釬料為兩種合金粉末混合而成，一種是采用超聲氣體霧化法制備的鎳基釬料JSSNi60A，釬料粒徑為 ＜ 74 μm，其主要化學(xué)成分見表1；另一種是與待焊母材相同的第三代鎳基單晶高溫合金的合金粉，粉末粒徑為 ≤ 100 μm，成分與待焊接母材相同。利用球磨機(jī)將兩種合金粉末按照不同的配比進(jìn)行機(jī)械混合，制備出混合粉末釬料。

表 1 第三代鎳基單晶高溫合金與鎳基釬料的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Compositions of the 3rd generation nickel-based single crystal superalloy and Ni-based filler alloy（mass fraction/%）

采用四種不同的混合粉末釬料JSNi-1、JSNi-2、JSNi-3和JSNi-4釬焊待焊樣品，混合粉末釬料的成分配比見表2，每種釬料在填料時(shí)使用的質(zhì)量相同，待焊樣品的焊縫間隙為400 μm。采用預(yù)填混合粉末釬料的方法，將混合粉末釬料預(yù)置于焊縫中。實(shí)驗(yàn)采用真空釬焊爐，將裝配好的試樣置于真空爐內(nèi)，以20 ℃/min的升溫速率加熱至200 ℃，保溫20 min；再以35 ℃/min加熱至550 ℃，保溫20 min；然后以50 ℃/min加熱至1050 ℃；最后以12 ℃/min加熱至1220 ℃保溫30 min后隨爐冷卻。隨后對釬焊接頭進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，放入熱處理爐之前需要對試樣進(jìn)行真空封管處理。

采用電火花線切割將焊好的樣品沿著焊縫的縱向界面切開，對截面進(jìn)行研磨拋光，然后用44%CuSO4+33%HCl+23%H2O（體積分?jǐn)?shù)）腐蝕液對樣品表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕。利用Inspect F50場發(fā)射掃描電子顯微鏡對接頭的顯微組織進(jìn)行觀察，并對元素分布和相組成進(jìn)行分析。

表 2 混合粉末釬料的成分配比Table 2 Composition ratio of the mixed powder filler alloy

2 結(jié)果與分析

2.1 合金粉比例對接頭微觀組織的影響

2.1.1 釬焊接頭的微觀組織

圖1 為JSNi-3釬料釬焊接頭中各析出相的背散射電子圖像（BSE），可以觀察到接頭內(nèi)主要由四種相構(gòu)成。利用X射線衍射方法（XRD）分析接頭的相組成，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，接頭內(nèi)的四種相分別為MB型硼化物、M3B2型硼化物、Ni3B和γ+γ′共晶。利用EPMA對接頭組織中各析出相進(jìn)行成分分析（圖1中十字為分析位置），結(jié)果如表3所示。白色骨架狀或白色塊狀相，其成分為36.8%B、18.7%Cr、15.9%W、15.3%Ni以及少量的Co、Ta、Mo等元素，根據(jù)XRD的結(jié)果可推測該相為M3B2型硼化物；而相對較暗的塊狀析出相，其成分為32.1%B、41.6%Cr、7.8%W、6.3%Ni以及少量的Co、Ta、Mo等元素，推測該相應(yīng)為CrB。這是由于形成硼化物時(shí)發(fā)生了元素偏析，W含量較高形成M3B2型硼化物，W含量較低形成CrB。呈花瓣?duì)畹纳罨疑M織，其成分為48.7%Ni，13.2%B，8.2%Cr以及少量的Mo、W、Ta，通過EPMA分析和以前的研究結(jié)果[12，14]，推斷其為Ni3B。在脆性相之間存在呈放射狀的共晶組織，其成分為62.4%Ni、9.3%Al、9.5%Cr、8.9%Co以及少量的Ti，可以確定該共晶相應(yīng)為γ+γ′共晶[18]。

表 3 JSNi-3釬料釬焊接頭組織中各析出相的電子探針（EPMA）成分（原子分?jǐn)?shù)/%）Table 3 Results of electron microprobe analysis（EPMA）of each phase in joint of JSNi-3 （atomic fraction/%）

圖 1 JSNi-3釬料釬焊接頭中各析出相的BSE圖 （a）M3B2型硼化物和CrB；（b）γ-Ni+Ni3B+CrB三元共晶組織和γ+γ′共晶Fig. 1 Back scattered electron（BSE）images of each phase in joint of JSNi-3 （a）M3B2 and CrB boride；（b）γ-Ni+Ni3B+CrB ternary eutectic phase and γ+γ′ eutectic

圖 2 JSNi-3釬料釬焊接頭組織中各析出相的XRD圖譜Fig. 2 XRD patterns of each phase in joint of JSNi-3

2.1.2 混合粉末釬料釬焊接頭的微觀組織

采用JSNi-1釬料在1220 ℃保溫30 min釬焊第三代鎳基單晶高溫合金，在焊縫中間位置形成了嚴(yán)重的孔洞缺陷，如圖3（a）所示。由于釬焊主要是通過毛細(xì)作用進(jìn)行焊接，而當(dāng)焊縫間隙過大時(shí)，毛細(xì)作用喪失，釬料熔化后無法停留在間隙中形成接頭，在凝固時(shí)形成了比較嚴(yán)重的孔洞缺陷。JSNi-1接頭與傳統(tǒng)的釬焊接頭相比不存在擴(kuò)散影響區(qū)，并且可以明顯看出接頭與母材形成了良好界面，靠近母材的接頭區(qū)域形成了與母材相似的組織，均由γ基體和析出的γ′強(qiáng)化相構(gòu)成，但二者尺寸均比母材細(xì)小（圖3（b））。

當(dāng)釬料中加入合金粉后，合金粉顆粒混在釬料中起到了“橋梁”作用，將大間隙分成若干個(gè)小間隙，使液態(tài)釬料在合金粉間隙中能繼續(xù)發(fā)揮毛細(xì)作用，相當(dāng)于減小了實(shí)際液態(tài)釬料需要填充的間隙。釬料熔化后可以流入并充分填充間隙，得到性能優(yōu)異的釬焊接頭，但其焊縫組織存在著明顯的差異。圖3（c）～（h）為采用JSNi-2、JSNi-3和JSNi-4三種釬料獲得的釬縫組織掃描電子圖，可以看出三種接頭在微觀組織上存在著較大的區(qū)別。JSNi-2釬料形成的接頭組織，存在著大量的脆性相，多為大片骨架狀及塊狀。合金粉顆粒在接頭中的形貌并不明顯，這是由于釬料含量較多，降熔元素的含量也增多，合金粉發(fā)生了溶解，然后在降溫過程中與液相釬料一起凝固，形成新的接頭組織。在JSNi-3釬料形成的接頭組織中，能夠清楚地觀察到合金粉在接頭中的形貌，由于合金粉的增多，釬料的含量減少，在凝固過程中，液相釬料在合金粉的粉末間隙中形成小塊的硼化物，在數(shù)量和體積上較JSNi-2接頭都有所減小，而且基本沒有析出Ni3B。還可以觀察到，合金粉中也存在少量的硼化物脆性相，這是由于合金粉在釬焊過程中，對降熔元素起到了擴(kuò)散島的作用，降低了這些元素在焊縫間隙中的濃度，減少了脆性相的形成和降熔元素向母材的擴(kuò)散[11]。當(dāng)采用JSNi-4釬料釬焊接頭時(shí)，由于合金粉比例的增大，硼化物尺寸進(jìn)一步減小，但接頭開始出現(xiàn)孔洞缺陷，這是由于當(dāng)合金粉增加到60%時(shí)，釬料相對減少，無法充分填充焊縫間隙，釬料少導(dǎo)致混合粉末釬料中B元素含量下降，釬料的潤濕性下降，釬料無法流入填充接頭中部分空隙，在凝固時(shí)就會(huì)形成較嚴(yán)重的孔洞缺陷，大大降低了接頭的性能。

圖 3 混合釬料釬焊三代鎳基單晶高溫合金接頭的SEM圖 （a），（b）JSNi-1接頭；（c），（d）JSNi-2接頭；（e），（f）JSNi-3接頭；（g），（h）JSNi-4接頭Fig. 3 SEM images of joint of the 3rd generation nickel-based single crystal superalloy with mixed powder filler （a），（b）JSNi-1；（c），（d）JSNi-2；（e），（f）JSNi-3；（g），（h）JSNi-4

2.2 接頭的力學(xué)性能

鎳基單晶高溫合金主要在高溫高壓的環(huán)境下長期服役，因此對接頭進(jìn)行高溫持久性能測試，測試條件為980 ℃/100 MPa。純釬料JSNi-1的焊接接頭在980 ℃/100 MPa條件下的持久壽命為0.25 h，三種混合釬料JSNi-2、JSNi-3和JSNi-4的焊接接頭在980 ℃/100 MPa條件下的持久壽命分別為15 h、34 h和4 h，如圖4（e）所示。圖4（a）為純釬料接頭的斷口形貌，可以明顯看出，有大部分區(qū)域并沒有形成接頭斷裂的形貌，液態(tài)釬料只是在連接表面鋪展、熔化再凝固，并未形成連接接頭。三種混合釬料接頭的持久性能與母材（遠(yuǎn)大于100 h）相比都相差較多，尤其是JSNi-4的焊接接頭持久壽命明顯降低。圖4（b）～（d）分別是三種混合釬料接頭的持久斷口形貌，可以觀察到JSNi-2接頭斷口中有許多塊狀的組織，無明顯合金粉顆粒，對斷口中的塊狀組織和周圍的基體部分進(jìn)行EDS分析（圖中十字為分析位置），結(jié)果如表4所示。根據(jù)EDS結(jié)果可推測塊狀組織為硼化物，周圍組織為γ基體。此外，根據(jù)斷口EDS結(jié)果還可以看出，硼化物和基體位置的氧元素含量都比較高，這是因?yàn)樵诟邷叵铝鸭y一旦產(chǎn)生就會(huì)有空氣進(jìn)入并與斷口表面發(fā)生氧化反應(yīng)，而先斷裂的區(qū)域氧元素含量會(huì)略高，所以該結(jié)果反映了接頭持久斷裂過程中裂紋優(yōu)先在硼化物位置萌生；JSNi-3接頭組織較均勻，硼化物較少且沒有明顯缺陷，可以觀察到少量合金粉顆粒；JSNi-4接頭硼化物較少，可以明顯觀察到未熔化的合金粉顆粒，并且合金粉顆粒間存在著許多孔洞缺陷。JSNi-2混合粉末釬料中合金粉比例較低（30%），而釬料含量高，使得混合釬料中的降熔元素含量較多且高熔點(diǎn)合金粉末之間的間隙增大，易在接頭中形成大尺寸的硼化物（如圖3所示）。在外加應(yīng)力的作用下，易在尺寸較大的硼化物相處產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而使硼化物斷裂而誘發(fā)裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸時(shí)，裂紋擴(kuò)展發(fā)生失穩(wěn)，使得接頭斷裂失效。而JSNi-4混合粉末釬料中合金粉比例過大，釬料含量少導(dǎo)致液態(tài)釬料無法充分填充焊縫，在接頭中形成了孔洞缺陷，在加載初期便容易在孔洞缺陷處誘發(fā)裂紋并擴(kuò)展，使得接頭很快達(dá)到裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)階段，所以接頭的持久性能相比于其他接頭較差。相比之下，JSNi-3接頭的組織均勻，硼化物較少且沒有明顯缺陷，所以持久性能最佳。

圖 4 JSNi-1、JSNi-2、JSNi-3和JSNi-4接頭在980 ℃/100 MPa下持久斷口形貌及各接頭的持久壽命 （a）JSNi-1；（b）JSNi-2；（c）JSNi-3；（d）JSNi-4；（e）各接頭的持久壽命Fig. 4 Rupture fracture morphologies of JSNi-1，JSNi-2，JSNi-3 and JSNi-4 joints at 980 ℃/100 MPa and stress rupture life of joints （a）JSNi-1；（b）JSNi-2；（c）JSNi-3；（d）JSNi-4；（e）stress rupture life of joints

表 4 JSNi-2接頭斷口成分分析（原子分?jǐn)?shù)/%）Table 4 Results of EDS of lumps in fracture morphology of JSNi-2 joint（atomic fraction / %）

2.3 混合粉末釬料釬焊接頭的缺陷形成機(jī)理

根據(jù)上述接頭顯微組織形貌與相組成分析，可以明確當(dāng)混合粉末釬料中高溫合金粉比例達(dá)到60%時(shí)，釬焊連接鎳基單晶高溫合金接頭的缺陷形成機(jī)理，如圖5所示?；旌戏勰┾F料中合金粉達(dá)到60%時(shí)，間隙大部分空間被合金粉占據(jù)，如圖5（a）所示。在釬焊連接升溫階段，釬料在1220 ℃下完全熔化形成液相釬料，通過毛細(xì)作用在焊縫間流動(dòng)填充，釬料中的B元素開始擴(kuò)散，但由于釬料的含量少，B元素的含量減少，導(dǎo)致釬料的潤濕性下降，熔化后不能完全填充整個(gè)焊縫間隙，焊縫中存在著大范圍的空隙，如圖5（b）所示。在保溫階段時(shí)，降熔元素B在濃度梯度的作用下繼續(xù)擴(kuò)散，靠近液相釬料的母材和合金粉熔點(diǎn)下降，部分母材及合金粉發(fā)生熔解，合金粉周圍形成了γ+γ′共晶，同時(shí)由于擴(kuò)散進(jìn)母材和合金粉中的B元素非常少，此時(shí)B仍舊富集于液相釬料中，開始與其他元素一起形成硼化物組織，液相釬料也進(jìn)一步填充焊縫間隙，如圖5（c）所示。在降溫過程中，脆性相化合物進(jìn)一步長大，形成M3B2型硼化物、CrB和Ni3B，合金粉周圍的γ+γ′共晶繼續(xù)向四周生長，形成放射狀的共晶相。隨著溫度的進(jìn)一步降低，殘余液相凝固，接頭也開始凝固，但由于液相沒有完全填充間隙，留下的空缺在凝固后形成了孔洞缺陷，最終形成圖5（d）所示的釬焊接頭。

圖 5 60% 合金粉混合釬料（JSNi-4）接頭缺陷形成機(jī)理 (a) 室溫；（b）1200 ℃；（c）保溫階段；（d）降溫階段Fig. 5 Mechanism of defect formation in joint of mixed filler with 60% superalloy powder (a) room temperature；（b）1200 ℃；（c）holding stage；（d）cooling stage

3 結(jié)論

（1）在1220 ℃/30 min的條件下，純鎳基釬料形成的焊接接頭組織和加入了第三代鎳基單晶高溫合金粉末的混合粉末釬料形成的焊接接頭組織相似，均由γ-Ni、γ′、γ+γ′共晶、CrB、Ni3B以及M3B2型硼化物組成，加入高溫合金粉末對釬焊接頭的相組成沒有明顯影響。

（2）三種不同比例的混合粉末釬料均可獲得完整的釬焊接頭，但隨著加入高溫合金粉末比例增加，接頭中的缺陷增加。缺陷形成原因主要是液相沒有完全填充間隙，留下的空隙在凝固后形成了孔洞缺陷。

（3）當(dāng)混合粉末釬料中高溫合金粉比例達(dá)到50%時(shí)，接頭組織中基本沒有Ni3B，硼化物尺寸細(xì)小且分布均勻，可獲得組織形貌完整且良好的焊接接頭。

（4）三種接頭的高溫持久性能均優(yōu)于純釬料接頭，當(dāng)提升高熔點(diǎn)合金粉比例時(shí)，接頭的持久壽命明顯增高；但當(dāng)合金粉比例過多時(shí)，接頭中產(chǎn)生大量孔洞缺陷，導(dǎo)致持久壽命下降。