中國(guó)古老焊接工藝助力新型高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)

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來(lái)源：中國(guó)古老焊接工藝助力新型高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā) 日期：2013-01-20 09:30:30 人氣：標(biāo)簽：中國(guó)古老焊接工藝助力新型高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)

耐高溫蜂窩結(jié)構(gòu)（航空?qǐng)?bào)圖片）

釬焊原理圖

　　“高壓渦輪導(dǎo)向葉片經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下的試車(chē)考驗(yàn)，雙聯(lián)焊縫完好無(wú)損，完全滿足我們的設(shè)計(jì)要求！”某新型發(fā)動(dòng)機(jī)金屬間化合物導(dǎo)向葉片破壞試驗(yàn)后，試驗(yàn)人員十分感慨。這個(gè)雙聯(lián)焊縫正是中航工業(yè)制造所采用過(guò)渡液相(transient liquid phase 簡(jiǎn)稱(chēng)tlp)擴(kuò)散焊新技術(shù)焊接的結(jié)果，這項(xiàng)技術(shù)也正是中航工業(yè)制造所堅(jiān)持老工藝創(chuàng)新的成果。這項(xiàng)老工藝正在制造所煥發(fā)新活力，成為航空制造技術(shù)的重要支點(diǎn)。

　　釬焊、擴(kuò)散焊技術(shù)是一種古老工藝。我國(guó)有關(guān)釬焊的論述早可見(jiàn)于漢代班固所撰《漢書(shū)》。中航工業(yè)制造所從上世紀(jì)60年代開(kāi)始開(kāi)展釬焊、擴(kuò)散焊技術(shù)和專(zhuān)用焊接設(shè)備研究，涉及的材料包括鋁合金、銅合金、碳鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、陶瓷、硬質(zhì)合金、金剛石等，是國(guó)內(nèi) 早開(kāi)展釬焊、擴(kuò)散焊技術(shù)研究的單位之一。研究的釬焊、擴(kuò)散焊接技術(shù)和離心葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、換熱器、蜂窩結(jié)構(gòu)、推力室、射流盤(pán)組件、舵機(jī)骨架組件、柱塞泵滑靴組件等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天及民用領(lǐng)域。

　　隨著新型航空裝備技術(shù)指標(biāo)的提高，對(duì)耐高溫、輕質(zhì)材料和高性能新結(jié)構(gòu)需求不斷增加。蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)就是典型的提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)小格子蜂窩芯成型/拼焊技術(shù)和釬焊技術(shù)提出了苛刻要求，受到了歐美國(guó)家的長(zhǎng)期禁運(yùn)。制造所釬焊、擴(kuò)散焊專(zhuān)業(yè)組技術(shù)人員勇挑重?fù)?dān)，分析小格子蜂窩芯特點(diǎn)，研究成功小格子蜂窩芯自動(dòng)成型和自動(dòng)拼焊技術(shù)與設(shè)備，獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)；同時(shí)開(kāi)展蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)釬焊工藝及其與熱處理匹配研究，形成蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)部件制造技術(shù)，將蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)推廣到所有航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中廣泛應(yīng)用，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，突破國(guó)外技術(shù)封鎖。為滿足高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氣路封嚴(yán)效果和工作溫度高的要求，隨后又開(kāi)發(fā)了耐高溫蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、刷式密封結(jié)構(gòu)、指尖密封結(jié)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，形成氣路封嚴(yán)制造技術(shù)體系。

　　tlp擴(kuò)散焊技術(shù)是針對(duì)單晶、金屬間化合物、氧化物彌散強(qiáng)化合金等新型高溫材料的組織性能特點(diǎn)，結(jié)合釬焊、擴(kuò)散焊優(yōu)點(diǎn)發(fā)展成的新技術(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)研制與基體材料冶金匹配的專(zhuān)用焊料，優(yōu)化焊接工藝獲得組織性能與基體相同或相近的焊接接頭，滿足高溫部件耐高溫和承力要求。在導(dǎo)向葉片焊接研究中，也出現(xiàn)過(guò)焊縫間隙控制不精確、焊縫兩側(cè)臺(tái)階過(guò)大等影響焊縫強(qiáng)度和局部溶蝕的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)研究，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多種高性能鎳基、鈷基焊料，已經(jīng)獲得2項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)；使ni3al定向凝固合金tlp擴(kuò)散焊接頭高溫持久強(qiáng)度達(dá)到基體的90%以上。采用這些新焊料和高強(qiáng)度焊接技術(shù)，研制了高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)高(低)壓渦輪導(dǎo)向葉片雙(三)聯(lián)組件，用于裝機(jī)試驗(yàn)，研制的mgh956合金“超級(jí)冷卻”多孔層板浮動(dòng)壁火焰筒經(jīng)過(guò)燃燒室臺(tái)架試驗(yàn)，其冷卻效率達(dá)到0.85以上、壁面溫度較氣膜冷卻結(jié)構(gòu)降低70k以上，顯示出優(yōu)異的冷卻效果和壁溫均勻性，為新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　為解決焊接性差的粉末合金、陶瓷等構(gòu)件承力部位焊接難題，研究團(tuán)隊(duì)將場(chǎng)促進(jìn)條件下原子快速擴(kuò)散現(xiàn)象引入擴(kuò)散焊和粉末涂層燒結(jié)中，采用直流脈沖電源的溫度控制模式直接加熱陶瓷/金屬、粉末合金/單晶等焊接性差的材料，開(kāi)展放電等離子擴(kuò)散焊技術(shù)研究，能在20分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些難焊接材料的快速焊合，焊接接頭高溫抗拉強(qiáng)度與基體相近，可用于陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件、整體葉環(huán)、渦輪整體盤(pán)等構(gòu)件的焊接制造。采用直流脈沖電源的電流控制模式直接加壓燒結(jié)耐磨陶瓷涂層，開(kāi)展電接觸燒結(jié)技術(shù)研究，能顯著提高陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度，大幅度提高耐磨層的使用壽命。這些探索性研究，為未來(lái)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供技術(shù)支持。

　　金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)具有重量輕，比強(qiáng)度、比剛度高，耐高溫、耐腐蝕，消音、隔熱等優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)艙門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等。近年來(lái)中航工業(yè)制造所研究出鈦合金、不銹鋼、高溫合金等柔性蜂窩芯體精密加工技術(shù)，大面積變截面、變曲率蜂窩壁板結(jié)構(gòu)高焊合率釬焊與無(wú)損檢測(cè)等新技術(shù)，使柔性蜂窩芯加工精度達(dá)到0.05mm以內(nèi)、蜂窩壁板結(jié)構(gòu)釬焊焊合率達(dá)到90%以上，并研制出飛機(jī)前機(jī)身口蓋、后機(jī)身側(cè)壁板、起動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道等蜂窩壁板結(jié)構(gòu)部件，在不同型號(hào)飛行器上成功應(yīng)用，同時(shí)為高速飛行器防隔熱輕質(zhì)、高溫結(jié)構(gòu)研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　專(zhuān)用裝備是工藝的載體，中航工業(yè)制造所一直注重開(kāi)展專(zhuān)用工藝裝備的研究開(kāi)發(fā)。從上世紀(jì)70年代起先后開(kāi)發(fā)了真空釬焊爐、真空擴(kuò)散焊爐、真空電弧釬焊設(shè)備，為航空、航天、電子、石化及民用領(lǐng)域提供不同型號(hào)真空爐設(shè)備和焊接工藝技術(shù)，以交鑰匙工程形式為軍民工業(yè)先進(jìn)技術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。目前中航工業(yè)制造所有能力為社會(huì)各界提供釬焊、擴(kuò)散焊技術(shù)研發(fā)和零件的焊接加工。

　　面對(duì)新世紀(jì)我國(guó)航空航天科技發(fā)展大潮，中航工業(yè)制造所致力于在金屬間化合物材料、單晶高溫合金、陶瓷及其復(fù)合材料的釬焊與過(guò)渡液相擴(kuò)散焊，單晶/粉末合金、陶瓷/金屬、金屬基復(fù)合材料的放電等離子擴(kuò)散焊領(lǐng)域開(kāi)展釬焊/擴(kuò)散焊技術(shù)研究工作，突破蜂窩壁板、渦輪葉片、多孔層板、整體葉盤(pán)、氣路封嚴(yán)等以釬焊/擴(kuò)散焊為關(guān)鍵制造技術(shù)的新結(jié)構(gòu)工程化制造難題，并實(shí)現(xiàn)蜂窩封嚴(yán)、刷式封嚴(yán)環(huán)、蜂窩壁板、渦輪導(dǎo)向葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室和射流盤(pán)、以及導(dǎo)向器修復(fù)等零部件的批量生產(chǎn)，為航空航天技術(shù)研發(fā)和型號(hào)生產(chǎn)提供更有力的支持。

釬焊／擴(kuò)散焊：傳承與創(chuàng)新的固相焊接技術(shù)

　　釬焊是指在高溫的作用下通過(guò)熔化的釬料或液相把不熔化的母材連接起來(lái)并形成冶金結(jié)合的連接方法。擴(kuò)散焊是指在高溫和壓力的作用下，相互接觸的材料表面產(chǎn)生原子間擴(kuò)散，從而形成可靠連接的連接方法。

　　盡管釬焊/擴(kuò)散焊技術(shù)出現(xiàn)很早，但其發(fā)展卻很緩慢。在進(jìn)入20世紀(jì)之前，它還僅僅是手工作坊里的一種技藝。20世紀(jì)30年代之后，隨著航空、航天、能源和核工業(yè)的迅速發(fā)展，為滿足構(gòu)件輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高剛度、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及某些惡劣工況使用要求，大量新材料、新結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)和投入生產(chǎn)，同時(shí)也大大推動(dòng)了現(xiàn)代釬焊/擴(kuò)散焊技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

　　釬焊過(guò)程原理如(圖1)所示，將熔點(diǎn)低于母材的釬料和被釬焊零件同時(shí)均勻加熱至釬焊溫度，釬料熔化而被釬焊零件保持固態(tài)。熔化釬料潤(rùn)濕母材并在毛細(xì)作用下填充接頭間隙。在隨后的保溫過(guò)程中，液態(tài)釬料成分向母材中擴(kuò)散，使得母材近縫區(qū)發(fā)生微量溶解并與釬料相互擴(kuò)散，在降溫冷卻過(guò)程中接頭形成冶金結(jié)合。

　　在零件釬焊前，首先要做好接頭設(shè)計(jì)工作，包括以下幾個(gè)方面：

　　接頭形式：經(jīng)常使用的釬焊接頭形式有搭接、對(duì)接、斜接及t型接等基本形式(圖2)。通常搭接接頭的強(qiáng)度高，其次是斜接，差的是對(duì)接。

　　搭接長(zhǎng)度：接頭搭接長(zhǎng)度太長(zhǎng)，會(huì)耗費(fèi)材料、增加構(gòu)件重量；搭接長(zhǎng)度太短，則不能滿足強(qiáng)度要求。在生產(chǎn)實(shí)踐中，搭接長(zhǎng)度通常為釬焊金屬厚度的3～4倍，但很少超過(guò)15mm。

　　裝配間隙：裝配間隙是影響釬縫致密性和接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。間隙過(guò)小，會(huì)妨礙釬料的流入；間隙過(guò)大，則破壞釬料的毛細(xì)作用，釬料不能填滿接頭的間隙，致使接頭強(qiáng)度降低。一般來(lái)說(shuō)，釬料與母材之間相互作用較弱，則需要較小的間隙；釬料與母材之間相互作用較強(qiáng)，就要求間隙較大。

　　釬料選擇：通常選用的釬料熔點(diǎn)應(yīng)低于母材熔點(diǎn)幾十度以上，在釬焊溫度下能很好地潤(rùn)濕母材和填充釬縫間隙；同時(shí)與母材能發(fā)生相互擴(kuò)散作用，以獲得牢固的接頭；釬料應(yīng)不含有對(duì)母材有害的元素，能滿足釬焊接頭的力學(xué)、物理及化學(xué)性能方面的要求。此外，也必須考慮釬料的經(jīng)濟(jì)性、應(yīng)盡量少用或不用稀有金屬和貴重金屬。

　　在零件釬焊時(shí)，首先要對(duì)被釬焊零件進(jìn)行表面處理，包括去油、除氧化膜及在零件表面鍍覆鍍層等；然后采用緊配合、點(diǎn)焊及夾具定位等方法裝配、固定被釬焊零件和釬料，以保證所要求的釬焊間隙。釬料放置后應(yīng)在周?chē)恐购竸苑乐谷刍F料漫流鋪展或?qū)⒑讣c釬焊夾具粘連。釬焊過(guò)程中需控制的主要工藝參數(shù)是釬焊溫度和保溫時(shí)間，以保證釬料能充分潤(rùn)濕母材并填充釬焊間隙，形成致密的釬焊接頭。

　　在零件釬焊后，可根據(jù)零件使用要求，對(duì)被釬焊零件進(jìn)行后續(xù)的擴(kuò)散熱處理，以提高接頭力學(xué)性能。對(duì)于使用釬劑的接頭，釬焊后需要將接頭清洗干凈。

　　擴(kuò)散焊過(guò)程原理是在真空或保護(hù)氣氛環(huán)境下，相互接觸的待焊零件表面在一定溫度和壓力的作用下發(fā)生微觀塑性變形形成緊密結(jié)合，界面處金屬原子發(fā)生相互擴(kuò)散，終形成冶金結(jié)合接頭。為滿足渦輪葉片等熱端部件高性能連接需求，在借鑒傳統(tǒng)的釬焊、擴(kuò)散焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新發(fā)展了新型的過(guò)渡液相擴(kuò)散焊(tlp)技術(shù)。其基本原理是：在待焊面預(yù)先放置成分相近但熔點(diǎn)低于母材的中間層，在保溫過(guò)程中，中間層熔化并與母材發(fā)生成分?jǐn)U散，使得接頭在保溫過(guò)程中發(fā)生等溫凝固，在隨后擴(kuò)散過(guò)程中實(shí)現(xiàn)成分與組織的均勻化，終獲得高性能冶金結(jié)合。介于釬焊與擴(kuò)散焊之間的過(guò)渡液相擴(kuò)散焊的基本操作過(guò)程與釬焊相似，但接頭性能顯著提高，因此在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　由于釬焊/擴(kuò)散焊時(shí)工件整體加熱或釬縫周?chē)竺娣e均勻加熱，因此焊后工件變形小，易于保證工件尺寸，且只要工藝選擇得當(dāng)，可使接頭性能與母材相近，同時(shí)做到無(wú)需加工而“天衣無(wú)縫”，因此非常適合精密零件高可靠連接。此外，可根據(jù)母材熔點(diǎn)選擇比母材熔化溫度低的釬料進(jìn)行焊接，從而避免了釬焊加熱對(duì)母材組織特性的改變，因此也非常適合異種金屬之間，甚至金屬與非金屬，非金屬與非金屬之間的連接。

　　不同結(jié)構(gòu)材料的零件要求采用不同的釬焊方法，不同的釬焊方法對(duì)應(yīng)不同的釬焊設(shè)備。在20世紀(jì)五六十年代，所使用的材料主要為碳鋼、鋁合金、不銹鋼等，相應(yīng)的釬焊工藝方法是鹽浴釬焊、火焰釬焊、保護(hù)氣氛爐中釬焊等。隨著科技的不斷進(jìn)步，先進(jìn)鈦合金和高溫合金材料在工業(yè)領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)零件小變形、不氧化和高性能連接等要求，主要采用真空釬焊、過(guò)渡液相擴(kuò)散焊等新的釬焊/擴(kuò)散焊方法，主要設(shè)備為真空釬焊爐。同時(shí)，為滿足特定需求，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的新型釬焊工藝和裝備，如真空或氣體保護(hù)條件下的感應(yīng)釬焊、真空電弧釬焊、電子束釬焊和激光釬焊等。

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)是釬焊/擴(kuò)散焊應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域之一。歐美各主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司非常重視釬焊/擴(kuò)散焊技術(shù)的研究，通過(guò)研制新型釬料和中間層材料、開(kāi)發(fā)新型釬焊/擴(kuò)散焊工藝和裝備，使得釬焊/擴(kuò)散焊技術(shù)逐步從發(fā)動(dòng)機(jī)冷端非受力部件擴(kuò)大到熱端受力的關(guān)鍵部件。例如，美國(guó)普惠公司jt3d和jt8d發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜子環(huán)，jt9d發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃油總管、不銹鋼熱交換器，英國(guó)羅羅公司斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)高壓一級(jí)渦輪葉片、rb211和v2500發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金風(fēng)扇葉片均采用釬焊/擴(kuò)散焊方法制備。其中僅jt3d發(fā)動(dòng)機(jī)上的釬焊組件就已多達(dá)220余件。

　　隨著先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，異種金屬材料、陶瓷與金屬、金屬間化合物、定向凝固、單晶葉（微博）片、氣膜冷卻復(fù)雜結(jié)構(gòu)高溫部件的制造越來(lái)越依賴于釬焊/擴(kuò)散焊技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，這是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)技術(shù)進(jìn)步的大趨勢(shì)，因此可以預(yù)見(jiàn)，釬焊/擴(kuò)散焊這一古老的技藝，必將在21世紀(jì)科技進(jìn)步的大潮中迎來(lái)久違的春天。(張勝李菊靜永娟)

責(zé)任編輯：劉昆

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