瞬态液相连接的参数优化：关键因素和应用

瞬态液相连接的重要参数有压力、中间层成分、温度和保温时间。

1.压力

瞬态液相连接时加压的目的仅仅是为了保持工件配合面的良好接触，所以压力不需太大（约0～0.007MPa），仅为扩散焊的几百分之一，因而设备就可以大大简化，并且可防止工件在连接时发生塑性变形。

2.中间层

中间层合金成分及其性能对瞬态液相连接来说是至关重要的。中间层合金的熔化温度应保证在连接温度下不损害母材的性能；中间层合金的成分和厚度应保证接头区在连接温度下能达到等温凝固的目的，并在足够的保温时间后使其化学成分和显微组织均达到母材的基准，不产生有害的第二相。

为了使接头与母材在成分和组织上均质化，中间层应以被连接的母材的成分作为基本成分，再加入熔化温度降低元素，以满足对中间层熔化温度的要求。母材中的某些元素，如铝、钛应排除在外，以免在接头中形成有害的各种相结构。

高温合金绝大部分以Ni-Cr和Ni-Cr-Co为基本成分，中间层合金也以此为基，并加入不同的降熔元素，如硼、硅、锰、铌等。这些元素都能使Ni-Cr或Ni-Cr-Co合金的熔化温度降低到合适的程度。但是只有硼的效果最好。其原因是硼对镍基合金的降熔作用特别明显（见图6-5），只需少量的硼即能将镍基合金的熔化温度降到满意的程度；硼的原子半径很小，它的扩散速度高，尤其是晶间扩散的速度极高。由于硼向母材的快速扩散，可使中间层合金与母材迅速达到均质化，并且避免在接头中形成有害的第二相。例如，Udimet 700的基本成分为Ni-15Cr-18.5Co-4.3Al-3.3Ti-5Mo，作为瞬态液相连接用的中间层成分为Ni-15Cr-15Co-5Mo-2.5B，它们之间的镍、铬、钴、钼含量基本相同，只是在中间层合金中另加了质量分数为2.5%的B作为降低熔点元素，使中间层合金的熔化温度降低到可以在≤1200℃温度下进行瞬态液相连接。中间层合金不含铝、钛等形成γ′弥散强化相的元素，因为含这些元素的中间层合金很容易在接头中形成稳定而有害的化合物相，而接头区中的铝和钛组元依靠由母材向接头区的扩散而得到补偿。

其他元素如硅、锰等虽也能降低镍基合金的熔化温度，但这些元素只有在含量较高的情况下才能将熔化温度降到满意的程度（见图6-6和图6-4）；并且这些元素的扩散速度低、不容易向母材大量扩散，不能使它们在中间层合金中的含量在连接过程中降低到有害含量以下，因而在接头中形成稳定的有害相。例如，用Ni-15Cr-10Ti-5Si作中间层在1175℃×24h条件下瞬态液相连接Udimet 700合金，接头中出现大量有害的第二相。这是由于中间层合金中的硅和钛向母材扩散的速度很低，以致在瞬态液相连接结束后钎缝仍含相当多的硅和钛，从而形成化合物相。而用Ni-Cr-15Co-5Mo-2.5B作中间层合金，在同样条件下瞬态液相连接Udimet 700合金，可以得到完全均质化的接头。

在分析瞬态液相连接机理时，采用的是简单的二元相图。根据此原理，任何一种中间层合金只要温度和时间足以使扩散充分进行，就可以避免出现有害的第二相。遗憾的是在连接复杂的多元合金时，情况要复杂得多，合理运用中间层合金显得更为重要。

中间层合金成分对γ′强化相的数量、尺寸和形貌也有重大影响。中间层合金不含铝和钛，接头区的铝和钛必须在瞬态液相连接时由母材向接头扩散而得到补偿。然而，必须控制接头区除铝和钛外的其余成分，以获得合适的γ′强化相特性。例如，用两种不同成分的中间层合金在相同的规范下1160℃×24h瞬态液相连接Mar-M200+Hf高温合金（Ni-9Cr-10Co-5Al-2Ti-12.5W-1Nb-0.015B）。尽管用这两种中间层合金连接后的接头区的铝（质量分数约4%）和钛（质量分数约2%）的成分相同，但固溶强化元素铬和钴的含量不同，有一种接头的w（Cr）和w（Co）的含量分别为12.2%和11.6%；另一种接头w（Co）则为8.7%和9.6%。铬和钴含量的不同也会影响γ′沉淀相的特征，沉淀相的尺寸和形貌等。用后者连接的接头区的铬和钴的含量趋近母材，沉淀相的形貌也更接近母材。980℃的应力破坏试验表明，后者的接头性能与母材相似；用前者瞬态液相连接的接头性能要低15%，因为它的铬、钴含量均高于母材。由此观之，除铝、钛外，中间层合金组分应尽量接近母材。

3.温度和时间

加热温度和时间对瞬态液相连接接头的影响也很大。如要求连接接头与母材等强度，并且加热温度不影响母材的性能，则应采用高温（如≥1150℃）和长时间（如8～24h）的连接规范；如果对连接接头的质量要求可以降低，或者母材不能经受太高的温度，则采用较低温度（如1100～1150℃）和较短时间（如1～8h）。因此加热温度和时间取决于中间层合金的熔化温度、接头的工作要求和母材允许的加热温度。

图7-18所示为Inconel 713C合金（Ni-14Cr-6Al-1Ti-4.5Mo-2Nb-0.01B-0.08Zr）在1095℃×4h条件（即较低温度和较短时间）下瞬态液相连接的接头性能^[16]207。接头的高温强度同母材相差不多（见图7-18a），但应力破坏性能相差较大，760℃应力破坏试验时接头系数只有50%。这是因为连接时的温度较低，时间较短，扩散不充分，接头尚未均匀化。如对接头的要求不高，可以用此规范连接。

图7-18 Inconel 713C合金在1093℃×4h条件下瞬态液相连接的接头性能 a）高温强度 b）760℃应力破坏 Fig.7-18 Properties of Inconel 713C joint TLP bonded at 1093℃×4h

对要求高的接头，在温度允许情况下应采用高温长时间的连接规范。图7-19所示为Udimet 700合金在1170℃×24h条件下瞬态液相连接接头的应力破坏试验结果^[16]204。由于接头组织充分均匀化，接头在871℃和982℃温度下的应力破坏性能已与母材完全相同。

图7-19 Udimet 700合金在1170℃×24h条件下瞬态液相连接接头的应力-破坏性能 a）982℃应力破坏试验 b）871℃应力破坏试验 Fig.7-19 Stress-rupture properties of Udimet 700 joint TLP bonded at 1170℃×24h

连接规范对异种合金的瞬态液相连接接头的性能也有类似的影响。如Udimet 700同In100（Ni-9.5Cr-15Co-5.5Al-4.5Ti-3Mo-0.15B-0.06Zr-1V）瞬态液相连接接头在760℃/0.042MPa条件下的应力破坏性能如下：用1093℃×4h的规范，接头的有效系数约为50%；用1149℃×4h的规范为75%；用1163℃×24h的规范为100%。显然，高温和长时间是取得高性能接头的保证。

瞬态液相连接主要是针对沉淀强化合金开发的，因为这些合金很难用熔焊方法连接。但是，瞬态液相连接对固溶强化合金同样有效。图7-20所示为Hastelloy X合金（Ni-22Cr-1.5Co-9Mo-0.6W-18.5Fe）在1121℃×16h条件下瞬态液相连接的力学性能^[16]210。接头在871℃时的屈服强度和断后伸长率均不低于母材，尤其是断后伸长率很高。这表明中间层合金中的硼的扩散并未使接头邻近的母材脆化，接头在815℃下的应力破坏性能与母材相等。

图7-20 Hastelloy X合金的瞬态液相连接接头的力学性能，连接规范（1121℃×16h） a）871℃拉伸性能 b）815℃应力破坏性能 Fig.7-20 Mechanical properties of Hastelloy X joint，bonded at 1121℃×16h

4.DZ422定向凝固镍基合金的TLP连接^[17]

根据以上所述的中间层合金成分设计原则，所用中间层合金是在DZ422合金的基础上排除Al和Ti，另加入质量分数为3%～5%的B，以降低中间层合金的熔化温度。采用了两种中间层合金：一种是粉末状的Z2P，间隙为0.1mm；另一种是非晶态的Z2F，厚度为0.02mm。TLP连接的温度采用与母材固溶处理完全相同的温度，即1210℃。(www.xing528.com)

图7-21、图7-22分别所示为用Z2P中间层合金TLP扩散焊DZ422合金，在1210℃保温4h、24h、36h所获得的接头组织。从图7-21可见，1210℃×4h规范TLP接头的相组成为γ+γ′焊缝基体（1）、枝状硼化物（2）、γ（3）和镍硼化合物（4）组成的共晶相。在近缝区有块状硼化物（5）、花边条状硼化物（6）及光滑针状硼化物（7）析出，同时在这些析出相周围形成γ′包膜（8）。

随着扩散保温时间的延长，焊缝中的元素B进一步向基体扩散，焊缝中的脆性化合物消失。扩散保温24h后，焊缝呈单一的γ+γ′双相组织（见图7-22a），其成分除Al含量较低（2.89%）外，其他元素含量和DZ422母材成分大体相当。继续延长扩散保温时间至36h，除焊缝中元素W含量增加较多外，接头组织（见图7-22b）变化不大。

图7-21 Z2P中间层合金TLP扩散焊DZ422合金的接头组织（1210℃×4h） a）接头整体形貌 b）焊缝中的枝状相 c）焊缝中的共晶相 d）近缝区 e）近缝区块状相 f）近缝区针状相 Fig.7-21 Joint structure of DZ422 alloy TLP bonded with Z2P interlayer（1210℃×4h）

图7-23、图7-24分别所示为用Z2F中间层合金TLP扩散焊DZ422合金，在1210℃保温4h、24h、36h所获得的接头组织。从图7-23可见，1210℃×4h规范扩散焊接头中已无低熔共晶相存在，主要由类似于DZ422母材的γ+γ′焊缝基体（1）和一些白色的带棱角的块状相（2）组成；近缝区由于元素B的扩散渗入，析出条状相（3）、针状相（4）和小白块相（5）。保温时间延长，焊缝中硼化物相逐渐减少，形态也由原来带棱角的块状转为圆块状（见图7-24a）。经过36h保温后，焊缝γ+γ′基体与DZ422母材之间已无明显界限，焊缝组织除局部有极少小白块硼化物外，整个焊缝为单一γ+γ′组织。EDS分析结果表明，此时焊缝中的元素Al含量（质量分数为3.45%）虽稍低于DZ422母材，但明显高于同规范下Z2P中间层合金扩散焊接头中的Al含量（质量分数为2.94%），其他元素含量与DZ422母材相当，显然这对于接头性能是有利的。

用Z2P和Z2F两种中间合金瞬态液相连接的DZ422合金的应力-破坏性能见表7-15。该表表明，以Z2F非晶态箔作中间层合金，经1210℃×24h瞬态液相连接的DZ422合金接头的有效系数已达90%，这是因为非晶态箔很薄，接头间隙小、又具有化学成分均匀、纯度高等优点的缘故^[18]。

5.DD403单晶合金的TLP连接

中间层成分的合金是排除母材中的Al和Ti，另加入w（B）为3.8%的降熔元素B，并制成0.02mm的非晶态箔。TLP连接温度与母材的热处理制度相一致。

图7-22 用Z2P中间层合金TLP扩散焊DZ422合金接头组织 a）1210℃×24h b）1210℃×36h Fig.7-22 Joint structure of DZ422 alloy TLP bonded with Z2P interlayer

图7-23 用Z2F中间层合金TLP扩散焊DZ422合金的接头组织（1210℃×4h） a）接头整体形貌 b）焊缝 c）近缝区 Fig.7-23 Joint structure of DZ422 alloy TLP bonded with Z2F interlayer（1210℃×4h）

图7-24 用Z2F中间层合金TLP扩散焊DZ422合金接头组织 a）1210℃×24h b）1210℃×36h Fig.7-24 Joint structure of DZ422 alloy TLP bonded with Z2F interlayer

表7-15 DZ422合金的瞬态液相连接接头的应力-破坏性能Table 7-15 Stress-rupture properties of DZ422 alloy TLP bonded joints

图7-25所示为用D1F中间层合金在1250℃下保温不同时间TLP焊DD403单晶合金接头的组织。中间层合金是非晶态箔带形式，TLP连接DD403母材时，以两层总厚度为40μm夹在待焊试样之间。从图7-25a）中可以看出，焊缝中央分布着γ相以及由γ相和白亮的枝状或块状（Mo，W，Cr，Ni）₃B₂硼化物组成的共晶；此外，焊缝中也有一些含Cr量比较高的黑色（Cr，Mo）₂₃（C，B）6块状化合物相。由于箔带中间层的厚度小且加入量易控制，化学成分比较均匀，接头中降熔元素总量少，扩散路径短，因此获得的接头组织也比较容易均匀化。虽然D1F中间层合金本身不含Al，但由于母材向焊缝的溶解及各元素的扩散，保温10min，焊缝中Al的平均含量已经达到10.7%（原子分数）（5.02%质量分数），Ti含量达到1.16%（原子分数）（0.96%质量分数），已与母材中的Al、Ti含量比较接近。

随着保温时间的延长，焊缝中枝状、块状的（Mo，W，Cr，Ni）₃B₂硼化物相和黑色的（Cr，Mo）23（C，B）6碳硼化合物相减少；此外，B向母材的扩散，使近缝区母材局部出现了初熔现象，初熔液相冷却后转变为花团状γ+γ′共晶，在共晶周围个别部位有少量尺寸较小的硼化物相（见图7-25b），至保温4h左右近缝区的初熔区消失，此时焊缝中的硼化物相完全扩散消除，但近缝区仍有一些细小的块状硼化物相；保温扩散8h，焊缝和母材之间已基本扩散均匀，近缝区的硼化物数量进一步减少（见图7-25c）。

DD403单晶合金的瞬态液相连接接头的应力-破坏性能见表7-16，经1250℃×24h瞬态液相连接的合金接头的有效系数已达90%以上。

图7-25 用D1F中间层合金在1250℃下保温不同时间TLP焊连接DD403单晶合金接头的组织 a）1250℃×10min b）1250℃×1h c）1250℃×8h Fig.7-25 Structure of DD403 single crystal alloy TLP bonded with D1F interlayer at different holding time

表7-16 DD403单晶合金的瞬态液相连接接头的应力-破坏性能Table 7-16 Stress-rupture properties of DD403 alloy TLP bonded joints