TLP连接技术在定向凝固和单晶合金中的应用

18.5.3.1 中间层合金选择

TLP连接是由美国P&W公司发展的一种主要用来连接镍基高温合金的工艺，目前已推广应用于定向凝固和单晶高温合金。其所用中间层合金成分设计原则是：化学成分应与母材相近，以获得与母材组织尽量均匀一致的接头组织，提高接头性能。具体地说，就是以母材成分为基，加入一定量易于扩散均匀化的降熔元素（主要是B）。为此美国P&W公司为PWA1480单晶合金配制的中间层合金是与PWA1480单晶基体成分接近但渗入了一定量硼的韧性箔带，其代号为TLP^R-613（PWA1184）^[37]。Nishi-moto等对单晶合金CMSX-2、CMSX-4的TLP连接则采用了厚度为40μm的MBF80非晶态箔^[38，39]。

金属所李文等为第一代单晶合金DD98等的TLP扩散焊配制的中间层合金成分为Ni-8Co-16Cr-5W-4Mo-5.3Si-2.0B及Ni-7.3Co-5.8Cr-5.7W-1.3Mo-3.9B，获得了接头组织、成分与母材相似的单晶化接头^[40，41]。北京航空材料研究院对定向凝固合金DZ422和第一代单晶合金DD403、第二代单晶合金DD406的TLP连接工艺进行了研究，配制的中间层合金是以母材成分为基或将母材中的Al、Ti去除，再加入一定量的硼。用于DZ422合金TLP连接的中间层合金为Z2P（粉末状，100μm）和Z2F（非晶态箔，40μm厚）^[42]；用于DD403合金的中间层合金为D1P（280μm粉末）和DIF（非晶态箔，20μm厚）^[43-45]；用于DD406合金的中间层合金为100μm合金粉末^[46]。

18.5.3.2 接头性能

美国P&W公司采用TLP^R-613中间层合金连接PWA1480单晶合金，连接规范为1232℃×24h，焊后经母材热处理制度处理，即1280℃×4h固溶处理+1079℃×4h涂层扩散处理+904℃×32h时效处理，接头在982℃的持久强度和等温低周疲劳性能与PWA1480基体相当，如图18-5所示。焊接的叶片已试用于F100发动机及其他新型发动机（F120、EJ200）^[37]。

图18-5 PWA1480单晶合金TLP连接接头982℃的性能^[16] a）持久性能 b）等温低周疲劳性能 Fig.18-5 Mechanical properties of TLP bonded joints of single crystal superalloy PWA1480 at 982℃^[16] Nishimoto等^[38]采用MBF80非晶态中间层合金

分别在1250℃×30min和1275℃×25min规范下对CMSX-2单晶合金进行了TLP连接，经焊后固溶时效（1316℃×2h固溶+1080℃×4h一次时效+871℃×20h二次时效）处理后，TLP焊接接头650～900℃的高温抗拉强度等于或大于CMSX-2基体强度（见图18-6a），其持久强度也与母材非常接近，如图18-6b所示。采用MBF80非晶态箔TLP连接第二代单晶合金CMSX-4，接头高温抗拉强度及持久性能也与母材相当^[39]。

图18-6 MBF80中间层合金TLP连接CMSX-2单晶合金接头性能^[38] a）抗拉强度 b）持久性能 Fig.18-6 Mechanical properties of TLP bonded joints of single crystal superalloy CMSX-2^[38]

北京航空材料研究院采用专为DZ422合金研制的两种中间层合金Z2P、Z2F对DZ422合金进行了TLP扩散焊研究。Z2P、Z2F的成分均是按照TLP扩散焊用中间层合金成分设计原则^[42]，其主要合金元素含量与DZ422合金相同，但去除其中的Al、Ti，再加入3.0%～5.0%（质量分数）的元素B。其中Z2P为-150目的粉末（使用粉末中间层合金时，接头间隙为0.1mm），Z2F为40μm厚的非晶态箔。采用上述两种中间层合金TLP扩散焊DZ422合金接头持久性能测试结果见表18-24。与表18-14相比较，可见DZ422合金TLP扩散焊接头比Nicrobraz 300钎料钎焊接头具有更优异的持久性能。此外，采用Z2F非晶态箔带中间层合金扩散焊接头的持久性能明显高于相同规范下Z2P粉末中间层合金扩散焊的接头；扩散保温时间延长，对Z2P粉末扩散焊接头持久性能的提高效果比较明显，而对Z2F非晶态箔带扩散焊接头持久性能影响不大。因此，对于DZ422定向凝固高温合金的TLP扩散焊，采用与母材成分相近的Z2F非晶态箔带中间层合金，可获得具有良好持久性能的接头（达到DZ422母材的90%），规范可采用1210℃×24h^[29，42]。

表18-24 DZ422合金TLP扩散焊接头持久性能测试结果^[29，42] Table 18-24 Stress-rupture properties of the DZ422 alloy TLP bonded joints^[29，42]

注：*166MPa、186MPa分别为DZ422合金982℃×100h平均持久强度（207MPa^[1]）的80%和90%。(www.xing528.com)

北京航空材料研究院采用专为DD403单晶合金设计制备的三种中间层合金（见表18-25）对DD403合金进行了TLP扩散焊研究。

表18-25 DD403单晶TLP扩散焊用中间层合金的使用形式及熔化温度^[29] Table 18-25 The interlayer alloys for DD403 single crystal superalloy^[29]

表18-26列出了采用三种中间层合金扩散焊DD403单晶接头980℃持久性能的测试结果。从中可以看出以下趋势：1）当扩散连接规范相同时，D1F中间层合金扩散连接接头性能最好，D3FP中间层合金次之，D1P中间层合金最差；2）总的来说，随扩散保温时间延长，接头性能提高。但当接头达到与母材（经焊接热循环）等强时，延长保温时间（即增加反复加热至高温的次数），则可能由于B元素的扩散对母材性能产生不利影响，使断于母材的试样性能数据降低。在合适的规范下，三种中间层合金TLP扩散焊的DD403单晶接头980℃持久强度均达到或超过母材的90%。采用较短保温时间的扩散焊规范时，非晶态箔带中间层合金D1F扩散焊接头高温持久性能优于其他两种粉末态中间层合金扩散焊接头。采用D1F中间层合金对DD403单晶合金对开叶片模拟件进行了焊接试验，焊后的叶片经外观和剖切检查，焊接质量良好，所有焊缝无未焊合缺欠存在^[29，43-45]。

表18-26 DD403合金扩散连接接头980℃持久性能测试结果^[29，43-45] Table 18-26 Stress-rupture properties of the DD403 single crystal superalloy TLP bonded joints^[29，43-45]

注：带#者未断，停试；带*者断于DD403母材。

北京航空材料研究院采用专为DD406单晶配制的中间层合金对DD406单晶进行了TLP扩散焊，中间层合金的主要成分与DD406母材基本一致，加入一定量的B作为降熔元素，使用形式为-150目的粉末。扩散焊温度采用了与母材固溶处理相匹配的温度，即1290℃，保温时间为12h。焊后按母材热处理制度进行固溶时效处理。表18-27列出了DD406单晶TLP扩散焊接头的高温持久性能测试结果，表中所有试样均断于焊缝。从表中可见，接头980℃持久强度达到母材性能指标，1100℃持久强度达到母材性能指标的90%^[29，46]。

表18-27 DD406单晶合金TLP扩散焊接头高温持久性能测试结果^[29，46] Table 18-27 Stress-rupture properties of the DD406 single crystal superalloy TLP bonded joints[29，46]

注：DD406单晶性能指标σ^980℃_100h≥250MPa，σ^1100℃_100h≥140MPa。

郎波等对DD32单晶的TLP扩散焊进行了试验研究，DD32单晶含铼量为3.97%（质量分数），其980℃/248MPa的持久寿命能够达到140h以上。采用的中间层合金是以DD32母材成分为基，加入2%～3%（质量分数）的B作为降熔元素的粉末状合金，焊接间隙约为20μm。TLP扩散焊接头980℃的持久强度可达到DD32单晶母材强度的90%^[47]。