Ni3Al金属间化合物的熔焊技术优化

1.Ni₃Al的电子束焊

采用可对能量进行精确控制的电子束焊焊接Ni₃Al合金时，焊接速度较小时可以获得没有裂纹的焊接接头。试验中采用的两种含Fe的Ni₃Al基合金的化学成分见表13-15。

图13-17 NiAl单晶合金叶片的制造过程

a）实心铸造 b）线切割 c）机械加工内腔 d）加工连接中间层 e）过渡液相扩散焊 f）最终加工

表13-15含Fe的Ni₃Al基合金的化学成分

注：括号内的数字为质量分数。

焊接裂纹的产生主要与焊接速度和Ni₃Al合金中的B含量有关，随着焊接速度的增加，焊接裂纹率显著增加。电子束焊接速度对两种Ni₃Al基合金（IC-103、IC-25）裂纹率的影响如图13-18所示，当焊接速度超过13mm／s后，IC-25合金对裂纹很敏感。B元素对改善Ni₃Al的室温塑性起着有利的作用，加入B能改善晶界的结合，但当B含量超过一定的限量时会导致合金热裂纹倾向增大（见图13-19），焊接裂纹率最低时的ω_B约为0.02％（质量分数）。

由图13-18可见，当w_B由IC-25合金中的0.05％降低到IC-103合金中的0.02％时，焊接裂纹完全消除，焊接速度一直达到50mm／s时，IC-103合金一直没有出现焊接裂纹。

B在高温Ni基合金中也有类似的作用。在高温Ni基合金中加入微量B可强化晶界、提高高温强度，但过量的B易在晶界形成脆性化合物，而且可能是低熔点的，会导致热影响区的局部熔化和热塑性降低，并引起热影响区的液化裂纹。但是，在Ni₃Al焊接热影响区中没有发现局部熔化现象，在裂纹表面也没有观察到有液相存在。因此，适量的降低B含量虽然对室温塑性有一定影响，但对改善Ni₃Al合金的焊接性是非常必要的。

根据从Gleeble-1500热模拟试验机上测得的IC-25和IC-103两种合金升温过程中的热塑性变化曲线（见图13-20和图13-21）可以看到，二者在1200～1250℃之间有很大的差别。1200℃时IC-25和IC-103合金拉伸时的断后伸长率分别为0.5％和16.1％。IC-25合金的断口形貌是脆性的晶间断裂，但IC-103合金的断口呈塑性断裂特征，表现出较高的拉伸塑性。

图13-18 电子束焊Ni₃Al基合金时焊接速度对裂纹率的影响

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图13-19 B对Ni₃Al焊接热裂纹倾向的影响

Ni₃Al合金的断裂形貌与晶界的结合强度密切相关。晶界结合强度低于材料的屈服强度时，断口形貌是无塑性的晶间断裂，断裂应变随着晶界结合强度的增加而增大。1200℃时IC-103合金的断裂应变比IC-25合金高很多，此时IC-103合金的晶界结合强度比IC-25合金高很多。这也表明B对含Fe的Ni₃Al合金高温塑性的影响与它对室温塑性的影响并不一致。B虽然显著地提高Ni₃Al的室温塑性，但在高温时效果不明显，特别是在600～800℃中温范围内，含硼Ni₃Al存在一个脆性温度区，这是一种动态脆化现象，与试验环境气氛中的氧含量有关。因此，B含量高的IC-25合金在焊接速度超过13mm／s的电子束焊接头中表现出来的较高的热影响区裂纹倾向，是由于其高温下的晶间脆化和热应力的作用造成的。

图13-20 IC-25合金在升温时拉伸塑性与温度的关系

图13-21 IC-103合金升温时拉伸塑性与温度的关系

2.Ni₃Al合金的焊条电弧焊

Ni₃Al合金采用焊条电弧焊时，焊接材料的选择很重要，选择合理的焊接材料可以弥补Ni₃Al合金焊接性差的劣势，减少或消除焊接裂纹。

Ni₃Al母材不能用作焊接填充材料，因为焊接时极易出现裂纹。高温合金中Ni818是比较适宜用于Ni₃Al合金的焊接材料，可以实现Ni₃Al结构件的无裂纹焊接。这种焊接材料的主要成分是在Ni基合金的基础上，添加0.04C-15Cr-7Fe-15Mo-3.5W-1Mn-0.25V（摩尔分数）。为了保证焊接工艺稳定性，防止出现焊接裂纹，焊前必须清除焊件表面的氧化物、油污等，以避免外来的非金属夹杂物混入焊接熔池。

在保证焊接冶金要求的前提下，应考虑采用小坡口焊接，尽量减小焊缝尺寸，控制焊接热影响区尽可能最小。焊接过程中采用小电流低速焊接，控制焊接热输入，加强散热，以防止焊接熔池过热及焊后热影响区组织粗大。

采用Ni818焊材对IC-218铸造合金进行焊条电弧焊的焊接参数见表13-16。焊缝表面成形良好，经化学腐蚀后从宏观上观察未发现表面裂纹，将焊缝解剖也未发现有焊接裂纹、内部气孔或夹渣等缺欠。焊缝的抗拉强度达到了450MPa，拉断在熔合区处，属韧性断裂。由于熔合区的合金化很复杂，这就使得焊缝的强度（实质是熔合区的强度）比母材和焊材低。

表13-16Ni818焊材焊接IC-218铸造合金的焊接参数