定向凝固与单晶高温合金的焊接特点

1.定向凝固高温合金的焊接

定向凝固高温合金的成分类似于普通铸造镍基高温合金，不同凝固状态的获得主要是依赖于特殊的制造工艺。这类合金的成分和组织比较复杂，特别是γ′相形成元素Al和Ti的含量高，因此在熔焊时极易产生热裂纹，而且在熔化的焊接区破坏了母材原有的特殊凝固状态和方向性组织。所以连接这类合金的较好的方法应是母材不熔化的钎焊和扩散连接。

（1）钎焊 钎焊工艺简便易行，温度较低，不破坏高温合金基体组织性能，不足之处是钎焊的接头强度受钎料的限制而很难达到技术要求。

例如，定向凝固高温合金DZ22的真空钎焊，母材热处理制度为：1210℃×2h，空冷；870℃×32h，空冷。纵向持久强度性能为980℃，100h，207MPa；横向持久强度性能为980℃，188h，177MPa。采用的两种非晶态钎料（镍基BNi68CrWSiB、钴基BCo50NiCrWSiB）的成分见表6-26。

表6-26 试验用非晶态钎料的成分

钎焊工艺参数：焊接温度为1180～1200℃，保温时间1h。钎焊试验结果表明，DZ22合金中易氧化的元素较多，钎焊中对真空度的要求很高，真空度应高于5×10^-3Pa。如果低于此值须采用特殊措施降低真空室的氧分压，如采用保护盒和吸氧剂等。钎焊后经固溶、时效处理（参数同母材）和较高温度的扩散处理（1150℃×8h，1130℃×8h，1130℃×8h）后接头的持久性能如下：

1）Ni基钎料接头980℃，162MPa条件下的持久寿命83～109h，达到母材持久寿命的80%，断于钎缝处。

2）Co基钎料接头在同样试验条件下的持久寿命仅14h，断于钎缝处。持久性能低的主要原因是钎缝中有很多钎焊缺陷，如杂质聚集等。

（2）扩散连接 由于这类合金的高温强度很高，直接进行扩散连接在接触界面处很难发生塑性流变，难以获得满足使用要求的接头。较合适的方法是过渡液相扩散连接（TLP），这是一种钎焊和扩散连接的复合工艺，焊接过程中不需要接触界面的塑性流变，借助于熔点低于母材的中间过渡合金形成瞬时液相，在较小的压力下就能实现扩散连接。(www.xing528.com)

例如，将定向凝固高温合金制造成航空发动机涡轮叶片时，为了提高叶片的性能和减重，先将叶片制造加工成复杂的空心气冷结构，然后采用扩散连接技术将分离的叶片连接在一起形成整体叶片。

定向凝固高温合金DZ22的过渡液相扩散连接，所用的过渡中间层为厚度为0.04mm的非晶态带Z2F，成分为将DZ22合金中的Al、Ti去掉再加入质量分数为3.0%～5.0%的B。扩散连接温度为1210℃（与DZ22合金的固溶处理温度相同），连接时间分别为4h、24h、36h三种。随着连接时间延长，接头成分和组织逐渐趋于均匀化。保温时间为4h的接头中形成γ+γ′基体组织，分布着一些白色带棱角的条状和针状的硼化物；随保温时间增加，硼化物逐渐减少，棱角消失，界面附近的针状硼化物向基体扩散和分散变得稀疏；连接时间36h后，接头中的γ+γ′组织与母材基体之间已无明显界限。

接头的持久强度性能试验表明，在1210℃×24h条件下，扩散接头在980℃、186MPa的持久寿命达80～116h，相当于母材的90%。这是由于非晶态过渡合金成分和熔化均匀，过渡液相很少，因此大大减小了接头的脆性，在界面附近析出的硼化物对接头性能未造成显著的影响。

2.单晶高温合金的焊接

针对DD3单晶高温合金，可采用含Zr合金作为中间层进行过渡液相扩散连接，得到单晶高温合金接头的组织。

连接温度为1270℃，连接时间为15min时，接头中心为γ+Ni₅Zr共晶，基体为树枝状晶体，由于没有足够的扩散时间，此时接头仍然是钎焊组织。连接温度1270℃，连接时间2h后，接头区组织为γ+Ni₅Zr共晶+γ′，而且γ′相的体积分数高于γ相。形成γ+γ′组织时消耗了大量的Zr，于是抑制了γ+Ni₅Zr共晶的生成，接头中的Ni₅Zr化合物被γ′相取代。Zr可以降低熔点，促进γ′相沉淀析出，提高接头的强度性能。

连接温度为1270℃，连接时间为8h后，Ni₅Zr大幅度减少并变得更不连续。当等温凝固时间达到48h后，Ni₅Zr和γ′共晶都已消失，只有二次γ′相均匀分布于γ相基体，类似于母材组织。因此，采用含Zr中间层过渡液相扩散连接，经过1270℃×48h可以获得无脆性相的单晶高温合金接头。

还有的研究用Ni非晶态合金作为中间层，采用过渡液相扩散连接，通过合理的工艺参数和焊后扩散处理，也可以取得良好的结果。