“高壓渦輪導(dǎo)向葉片經(jīng)過長時間高溫環(huán)境下的試車考驗(yàn)，雙聯(lián)焊縫完好無損，完全滿足我們的設(shè)計(jì)要求！”某新型發(fā)動機(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。這個雙聯(lián)焊縫正是中航工業(yè)制造所采用過渡液相(Transient Liquid Phase 簡稱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。我國有關(guān)釬焊的論述*早可見于漢代班固所撰《漢書》。中航工業(yè)制造所從上世紀(jì)60年代開始開展釬焊、擴(kuò)散焊技術(shù)和專用焊接設(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，是國內(nèi)*早開展釬焊、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)動機(jī)葉片、換熱器、蜂窩結(jié)構(gòu)、推力室、射流盤組件、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)動機(jī)性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對小格子蜂窩芯成型/拼焊技術(shù)和釬焊技術(shù)提出了苛刻要求，受到了歐美國家的長期禁運(yùn)。制造所釬焊、擴(kuò)散焊專業(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成型和自動拼焊技術(shù)與設(shè)備，獲***獎勵；同時開展蜂窩封嚴(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)動機(jī)、航天發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中廣泛應(yīng)用，**提高發(fā)動機(jī)性能，突破國外技術(shù)封鎖。為滿足高推重比發(fā)動機(jī)對氣路封嚴(yán)效果和工作溫度高的要求，隨后又開發(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)。通過設(shè)計(jì)研制與基體材料冶金匹配的專用焊料，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)過焊縫間隙控制不精確、焊縫兩側(cè)臺階過大等影響焊縫強(qiáng)度和局部溶蝕的問題。經(jīng)過大量工藝試驗(yàn)研究，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了多種高性能鎳基、鈷基焊料，已經(jīng)獲得2項(xiàng)發(fā)明**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“超級冷卻”多孔層板浮動壁火焰筒經(jīng)過燃燒室臺架試驗(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，開展電接觸燒結(jié)技術(shù)研究，能**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，為未來高性能發(fā)動機(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)動機(jī)艙門、發(fā)動機(jī)短艙等。近年來中航工業(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)高焊合率釬焊與無損檢測等新技術(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、起動機(jī)進(jìn)氣道等蜂窩壁板結(jié)構(gòu)部件，在不同型號飛行器上成功應(yīng)用，同時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)。
專用裝備是工藝的載體，中航工業(yè)制造所一直注重開展專用工藝裝備的研究開發(fā)。從上世紀(jì)70年代起先后開發(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。
面對新世紀(jì)我國航空航天科技發(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、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)動機(jī)推力室和射流盤、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熔化的釬料或液相把不熔化的母材連接起來并形成冶金結(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)，同時也大大推動了現(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)。熔化釬料潤濕母材并在毛細(xì)作用下填充接頭間隙。在隨后的保溫過程中，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，包括以下幾個方面：
接頭形式：經(jīng)常使用的釬焊接頭形式有搭接、對接、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，*差的是對接。
搭接長度：接頭搭接長度太長，會耗費(fèi)材料、增加構(gòu)件重量；搭接長度太短，則不能滿足強(qiáng)度要求。在生產(chǎn)實(shí)踐中，搭接長度通常為釬焊金屬厚度的3～4倍，但很少超過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。間隙過小，會妨礙釬料的流入；間隙過大，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。一般來說，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濕母材和填充釬縫間隙；同時與母材能發(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，首先要對被釬焊零件進(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)在周圍涂止焊劑，以防止熔化釬料漫流鋪展或?qū)⒑讣c釬焊夾具粘連。釬焊過程中需控制的主要工藝參數(shù)是釬焊溫度和保溫時間，以保證釬料能充分潤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，使得接頭在保溫過程中發(fā)生等溫凝固，在隨后擴(kuò)散過程中實(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)散焊之間的過渡液相擴(kuò)散焊的基本操作過程與釬焊相似，但接頭性能**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)散焊時工件整體加熱或釬縫周圍大面積均勻加熱，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，同時做到無需加工而“天衣無縫”，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，為滿足特定需求，開發(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)動機(jī)制造公司非常重視釬焊/擴(kuò)散焊技術(shù)的研究，通過研制新型釬料和中間層材料、開發(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，美國普惠公司JT3D和JT8D發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)靜子環(huán)，JT9D發(fā)動機(jī)渦輪葉片、燃油總管、不銹鋼熱交換器，英國羅羅公司斯貝發(fā)動機(jī)高壓一級渦輪葉片、RB211和V2500發(fā)動機(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、單晶葉片、氣膜冷卻復(fù)雜結(jié)構(gòu)高溫部件的制造越來越依賴于釬焊/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)以來技術(shù)進(jìn)步的大趨勢，因此可以預(yù)見，釬焊/擴(kuò)散焊這一古老的技藝，必將在21世紀(jì)科技進(jìn)步的大潮中迎來久違的春天。
