鎳基高溫合金的擴散連接

第6章鎳基高溫合金的擴散連接太原理工大學(xué)

王文先

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PPT制作：***本章結(jié)構(gòu)知識要點

掌握程度相關(guān)內(nèi)容鎳基高溫合金的特點、焊接性了解典型高溫合金的成分和分類，熟悉鎳基高溫合金的焊接性問題。高溫合金定義、高溫合金的工作溫度及分類、典型高溫合金成分、鎳基高溫合金的焊接性問題。高溫合金的直接與加中間層的擴散連接熟悉工藝參數(shù)、表面加工狀態(tài)對直接擴散接頭性能影響，熟悉固相與液相兩種連接方法的影響因素。擴散連接工藝參數(shù)的選擇及對性能影響、表面加工狀態(tài)與性能關(guān)系、高溫持久強度定義、固相擴散連接性能影響因素、液相擴散連接性能影響因素。定向凝固與單晶高溫合金的連接了解定向凝固合金及單晶高溫合金的的種類、接頭組織和高溫持久強度等特點。定向凝固高溫合金介紹、定向凝固合金的過渡液相連接、單晶高溫合金的分類及其組織、單晶高溫合金持久強度。概述

高溫合金也稱耐熱合金，在高溫下具有較高的力學(xué)性能、抗氧化和抗腐蝕性能。

鎳基高溫合金的熱強性好、變形阻力大，擴散連接時要實現(xiàn)可靠的物理接觸。必須提高連接溫度或增大連接壓力(Ni本身為立方晶格，原子排列密集，自由擴散能力差)。特別是鎳基高溫合金表面含有Ti和Al的氧化膜，而且Ni在高溫下也容易生成NiO，這些氧化膜性能都比較穩(wěn)定，增加了擴散連接的難度。主要內(nèi)容6.1鎳基高溫合金的特點6.2高溫合金的直接擴散連接6.3高溫合金加中間層的擴散連接6.4定向凝固和單晶高溫合金的連接6.5鎳基高溫合金擴散連接實例6.1鎳基高溫合金的特點一、典型高溫合金的成分及分類圖6-1高溫合金的分類圖6-2高溫合金及其制備工藝的發(fā)展

高溫合金的發(fā)展與新工藝的應(yīng)用密切相關(guān)。

由圖6-2可知，20世紀(jì)60年代開發(fā)出真空冶金方法后，鑄造高溫合金得到了迅速發(fā)展，達到40余種，合金元素多達十余種，強化?相可達體積60%以上。70年代，定向及單晶鑄造合金技術(shù)取得重大突破，研制出一批以DSMM200為代表的高溫合金。80年代所開發(fā)的PWA1484的工作溫度又有提高。

通常把合金元素質(zhì)量分數(shù)大于25%的合金稱為超合金。當(dāng)鋁和鈦的質(zhì)量分數(shù)總量小于8%時，鋁和鈦可以用鉭、鈮代替。高溫合金中一般都添加鈷、鐵鉬鎢釩等奧氏體形成元素。表6-4典型高溫合金成分（質(zhì)量分數(shù)）%二、鎳基高溫合金簡介

鎳基變形高溫合金以漢語拼音字母“GH”加序號表示。鎳基變形高溫合金廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃氣輪機的熱端部件，如工作葉片，導(dǎo)向葉片、渦輪盤和燃燒室等。鎳基高溫合金GH132、GH3039等

鎳基高溫合金是鎳的質(zhì)量分數(shù)大于50%的高溫合金，一般以鎳、鉻固溶體為基體添加多種合金元素，如鈣、鉬、鋁、鈦、鈮、鈷、鉭及微量硼、鋯等。鎳基合金為面心立方點陣的固溶體。鎳的主要物理和機械性能如表6-1。表6-1鎳的主要物理和機械性能

組織特點：

主要的強化相：γ′(Ni3Al)相，含量達20%～55%左右。

另一類強化相：γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下對強度的貢獻遠大于γ′相，特別顯著地提高屈服強度，是渦輪盤材料中有名的強化相。三、Ni基高溫合金焊接時存在的問題（1）強化型合金焊接時易產(chǎn)生熱裂紋。因加熱過程中析出金屬間化合物和碳化物，使基體和晶界強化，用電子束焊接時也有裂紋產(chǎn)生。包括焊縫熱裂紋、HAZ液化裂紋和再熱裂紋。（2）高溫合金的熱強性好、變形阻力大，擴散連接時要實現(xiàn)可靠的物理接觸，必須要達到一定的塑性變形，應(yīng)提高連接溫度或增加連接壓力（Ni本身為立方晶格，原子排列密集，自由擴散能力差）。（3）高溫合金表面含有Al、Ti的氧化膜，而且Ni在高溫下也容易生成NiO，這些氧化膜性能都比較穩(wěn)定，難以去除。由于高溫合金的氧化膜在擴散連接時以向母材溶解為主要破碎形式，使擴散連接困難。（4）連接或焊接接頭難以得到和母材同樣的組織。由于直接焊接時難以去除氧化膜，一般采用夾層材料進行連接，很難得到與母材相同、含有γ’相析出的強化組織。6.2高溫合金的直接擴散連接一、工藝參數(shù)的影響

經(jīng)過磨光、清洗的表面，可在真空中直接結(jié)合，圖6-3是GH44Ni基高溫合金工藝參數(shù)對接頭力學(xué)性能的影響（δ為延伸率，ε為變形率，σb為抗拉強度）。其連接溫度范圍為1173K~1473K，連接壓力5~25MPa，連接時間為10~30min，真空度為1.33×10-2Pa。從圖中可知，隨著溫度壓力和時間的增加，接頭性能逐漸提高。圖6-3擴散連接參數(shù)對接頭性能的影響（GH44）二、表面加工狀態(tài)對接頭性能的影響

高溫合金的擴散連接接頭性能和界面的表面狀態(tài)有關(guān)，表面粗糙度越大，獲得可靠接頭所需的溫度越高或壓力越大。

圖6-4顯示出的表面加工狀態(tài)（精車加工和拋光加工）和接頭性能的關(guān)系，連接母材為GH44，連接條件為T=1448K，p=20Mpa。圖6-4斷面收縮率、抗彎曲強度與加熱時間的關(guān)系

實線為精車削加工表面，虛線為精磨削加工表面。由圖知，表面光潔度越高，同樣接合條件下接頭性能更好，接頭的橫向膨脹率越大，接頭力學(xué)性能越好。三、接頭的高溫持久強度

在確定的溫度和時間下，不破壞的最大應(yīng)力稱為高溫持久強度。

圖6-5是CrNi80WBAl和CrNi80WBAl的持久強度試驗結(jié)果，試件(a)經(jīng)過1273K、2h和1723K、20h保溫處理，在973K下進行持久強度實驗，得到12000h的持久強度為160MPa左右。試件(b)的保溫處理條件是1453K、1h和1073K、12h，實驗溫度1073K、30000h的持久強度可達176MPa。圖6-5高溫合金及接頭的持久強度6.3高溫合金加中間層的擴散連接

一、固相擴散連接 1.中間層對接頭室溫強度的影響

鎳基合金在擴散連接時，為實現(xiàn)良好的接觸和提高接頭性能，常在接合界面處添加中間層材料。實驗證明，中間層厚度對接頭性能也有影響。

圖6-6為不同連接工藝規(guī)范下的接頭強度與中間層相對厚度的關(guān)系，其中連接壓力為20Mpa，連接時間為15min，X為中間層的相對厚度(中間層絕對厚度和試件直徑的比值)。圖6-6接頭強度與中間層相對厚度的關(guān)系

斷口分析發(fā)現(xiàn)： ①連接溫度1323K時，接頭在界面破壞，局部沒有很好地接觸，有機械加工的痕跡； ②1363K時，破斷發(fā)生在母材上，中間層有很大的塑形變形，因此x=0.05可以認為是臨界值。x<0.05時，脆性破斷發(fā)生在界面，焊接區(qū)物理接觸不良； ③連接溫度達到1403K時，由于高溫減小了材料的變形阻力，只有x<0.02時才出現(xiàn)脆性破壞，接頭強度高。

如圖6-6(b)所示，當(dāng)連接壓力提高到40MPa時，所有溫度下各種厚度的中間層都提高了接頭強度，說明連接過程中物理接觸變好，在X=0.02~0.05范圍內(nèi)，斷裂均在母材上發(fā)生。由此說明：中間層厚度小時由于變形阻力大，表面物理接觸不良，接頭性能不好；厚度過大時，軟中間層承受了所有的應(yīng)力，也使接頭性能降低。

2.中間層對接頭高溫強度的影響

高溫合金接頭主要工作于高溫環(huán)境，高溫性能的好壞是評價接頭性能的主要指標(biāo)，與選用的中間層成分和厚度有關(guān)。

如圖6.7所示，采用

Ni80-Co20合金中間層，鎳基合金為ЖC6K，擴散連接規(guī)范為T=1393K，p=30MPa，t=20min。圖6-7中間層相對厚度與抗拉強度的關(guān)系

當(dāng)X=0.2時，1173K的高溫強度仍然可以達到400MPa，可得到較好的高溫性能及擴大了中間層厚度的范圍。

中間層成分對接頭高溫持久強度有很大影響，采用純Ni中間層連接ЖC6K鎳基合金，由于Al、Ti的擴散，接頭區(qū)出現(xiàn)了粗大的γ’相，接頭性能明顯變脆，p=50MPa、T=1073K，接頭只能持續(xù)10min,而不加中間層的接頭持續(xù)時間可達100h以上。圖6-7中間層相對厚度與抗拉強度的關(guān)系中間層厚度對接頭抗拉強度的影響如圖6.7所示。①x<0.2時，接頭的σb隨x的增大而上升②x>0.2時，接頭的σb隨x的增大反而下降。而且此規(guī)律與實驗溫度無關(guān)。3.中間層相對厚度對接頭力學(xué)性能的影響圖6-8中間層相對厚度與抗拉強度的關(guān)系中間層的尺寸和成分對接頭脆性有很大的影響。用Ni作中間層，ЖC6K合金接頭的沖擊韌性與相對厚度x的關(guān)系如圖6-8所示。如取x很小時，接頭呈脆性破壞，韌性很差。二、液相擴散連接

液相擴散連接是高溫合金最常采用的一種連接方法，通過選擇B、P、C、Si、Ti、Al等元素活化表面和降低連接溫度，實現(xiàn)等溫凝固和成分均勻化，得到與母材基本相同的組織成分。同時，可以得到變形小、強度高的接頭。 1.主要工藝參數(shù) (1)壓力：一般選0～0.007MPa，主要是為了保持工件配合面的良好接觸。 (2)溫度和時間：如果要求等強匹配、且不影響母材性能，則應(yīng)采用較高的T≧1423K，t=8～24h；否則，T=1373～1423K，t=1～8h。 (3)中間層：液相擴散連接的中間層除了具有固相擴散要求外，還要求液相凝固和均質(zhì)化時間盡量短；能適應(yīng)當(dāng)?shù)厝芙饽覆谋砻妫茐难趸?；不生成有害相，以免韌性降低。 2.接頭力學(xué)性能

連接工藝參數(shù)(溫度、時間、壓力)對接頭的持續(xù)高溫強度有很大影響。

圖6-9為連續(xù)溫度、壓力對持久強度的影響。連接材料為GH44合金，采用Ni-Cr-Pd中間層，連接壓力范圍5～10MPa，連接溫度分別為1398K、1423K和1448K，連接時間20min。拉伸實驗溫度1173K。拉伸載荷分別為15MPa和40MPa。從圖中可知，連接溫度高的對接頭，高溫持久性能好。圖6-9連接溫度及壓力持久強度對接頭性能的影響

提高接頭的高溫性能一般采取兩種途徑，一是希望接頭得到與母材相同的組織成分，二是在母材或中間層中添加Mo、Nb等合金元素。

圖6-10是三種高溫合金接頭強度與實驗溫度的關(guān)系。從圖中可知，雖然材料Ⅰ和Ⅱ的連接時間長，但接頭高溫性能不如材料Ⅲ高。圖6-10連接溫度及壓力持久強度對接頭性能的影響材料Ⅰ為22Cr–18.4Fe–1.6Co–8.6Mo–Ni基，T=1403K，t=10h。材料Ⅱ為19.8Cr–0.42Ti–0.36Al–0.1Fe–0.5Y2O3–Ni基，T=1573K，t=10h。

材料Ⅲ為14Cr–6Al–1Ti–4.5Mc–2Nl–Ni基，T=1366K，t=4h。6.4定向凝固和單晶高溫合金的連接

定向凝固和單晶高溫合金的原理及應(yīng)用：

所謂定向凝固，就是高溫合金熔體在鑄型中凝固時，通過一定控制，生成幾乎相互平行的柱狀晶。如果葉片經(jīng)過定向凝同，其結(jié)晶方向與葉片所受應(yīng)力平行，那么這時葉片受力或耐溫的能力就大大提高。

定向凝固合金和單晶高溫合金是目前制造先進航空發(fā)動機和燃氣輪機葉片的主要材料。定向凝固和單晶高溫合金的原理及應(yīng)用：

定向凝固高溫合金和單晶合金的成分復(fù)雜，特別是γ相形成元素Al和Ti的含量高，連接性能不好。熔焊時很難避免熱裂紋產(chǎn)生，釬焊時接頭強度往往受釬料成分及熔點的限制而很難達到要求，直接擴散連接時這些材料的接觸界面難以變形，壓力需達到100Mpa以上。故，最適合的方法是采用液相擴散連接。一、定向凝固高溫合金的過渡液相擴散連接 (1)保溫時間對接頭組織的影響

采用0.04mm厚的3.0％～5.0％的B無Al、Ti非晶態(tài)箔帶對DZ22定向凝固高溫合金進行液相擴散連接，T=1383K，t分別為4h、24h、36h三種。隨著連接時間的增長，接頭成分和組織逐漸趨于均勻化。①保溫時間4h：γ+γ’基體（類似母材）、白色塊狀的硼化物、近縫區(qū)的條狀和針狀硼化物和高W、Cr小白塊組織。②保溫時間24h：硼化物減少、帶棱角塊狀組織變?yōu)槠交瑘F塊狀。③保溫時間36h：接頭幾乎全為單一γ+γ’基體（與母材基體無明顯界限）、殘留的極少硼化物小白塊。成分含量基本與母材相當(dāng)。圖6-11MA754接頭的高溫特性

定向結(jié)晶的高溫合金，母材及接頭有一定的方向性，沿結(jié)晶方向強度高，而與晶粒垂直方向的強度較低。

圖6-11是定向凝固MA754鎳基合金接頭的高溫強度與斷裂時間的關(guān)系。L為沿結(jié)晶方向的抗拉強度、T為垂直結(jié)晶方向的抗拉強度。二、單晶高溫合金的液相擴散連接 1.單晶高溫合金的種類

隨著單晶高溫合金發(fā)展，如書中表6-6列出其主要的種類及成分可以看出：隨著合金的發(fā)展，含Cr量不斷降低，而難溶元素W+Mo+Ta+Nb+Re含量提高，Ta和Re的增加補償了Cr含量降低造成的耐溫性能降低，而Re和Ru在提高合金高溫持久性能方面影響顯著。如表6-7、圖6-12所示。表6-7Re對單晶高溫合金高溫持久性能的影響圖6-12MA754接頭的高溫特性Re含量由0增加到6％，抗高溫能力增加了約60Mpa；Re含量由3％增加到6％，疲勞性能高出2～3倍。

經(jīng)分析，80％的Re分布于γ相中，并強化了γ相。但該元素強烈偏析于枝干中，因不易擴散而增加了固溶熱處理時成分均勻化的難度。第四代高溫合金新添加了Ru元素，由于Ru是很弱的偏析元素，它在γ和γ’相的分配比約為0.7，有利于提高1373K的高溫持久性能。

2.接頭組織

單晶高溫合金擴散連接時，中間層材料不應(yīng)含有

Ni、Cr、B、Si等雜質(zhì)元素。常采用可形成γ(Ni)+Ni5Zr共晶體的Zr元素。利用此研制出了成分與母材匹配的含Zr的中間層合金(10Co–8Cr–4W–13Zr–Ni基)。

擴散連接實驗采用DD3單晶合金母材為樹枝狀晶體。由于擴散時間比較短，成分沒有達到均勻化，接頭呈現(xiàn)出典型的釬焊組織形貌。

相同接合條件下的接頭，在1543K溫度下等溫凝固2h，元素充分擴散，后隨爐冷卻。

此時接頭中的熔化層由等溫凝固層和冷卻時形成的共晶層組成。熔化層寬度基本不變，可知保溫時間超過15min后，母材不繼續(xù)溶解，但對液相與母材之間的相互擴散起了很大作用，促進等溫凝固。

該液相在冷卻過程中，1493K時析出花紋狀的γ+γ’共晶體，1423K時蜂窩狀的γ+Ni5Zr共晶體析出。 3.接頭的高溫持久性能

液相擴散連接DD6單晶合金的成分為4.3Cr–9Co–2Mo–8W–7.5Ta–0.5Nb–5.6Al–0.1Hf–Ni基，粉狀中間層的主要成分與DD6相同，只是加入少量的B降低熔點。連接溫度為1563K，等溫凝固時間分別為12h和24h。

表6-8是接頭的高溫持久性能，由于很難獲得微觀組織與母材完全一致，故接頭的高溫性能比母材低。表6-8Re對單晶高溫合金高溫持久性能的影響

在1563K