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中國古老焊接工藝助力新型高推重比發動機研發

發布時間:2019-09-14 17:26:38   瀏覽次數:1372

“高壓渦輪導向葉片經過長時間高溫環境下的試車考驗,雙聯焊縫完好無損,完全滿足我們的設計要求!”某新型發動機金屬間化合物導向葉片破壞試驗後,試驗人員十分感慨。這個雙聯焊縫正是中航工業製造所采用過渡液相(Transient Liquid Phase 簡稱TLP)擴散焊新技術焊接的結果,這項技術也正是中航工業製造所堅持老工藝創新的成果。這項老工藝正在製造所煥發新活力,成為航空製造技術的重要支點。


釺焊、擴散焊技術是一種古老工藝。我國有關釺焊的論述最早可見於漢代班固所撰《漢書》。中航工業製造所從上世紀60年代開始開展釺焊、擴散焊技術和專用焊接設備研究,涉及的材料包括鋁合金、銅合金、碳鋼、不鏽鋼、高溫合金、鈦合金、陶瓷、硬質合金、金剛石等,是國內最早開展釺焊、擴散焊技術研究的單位之一。研究的釺焊、擴散焊接技術和離心葉輪、發動機葉片、換熱器、蜂窩結構、推力室、射流盤組件、舵機骨架組件、柱塞泵滑靴組件等產品廣泛應用於航空航天及民用領域。


隨著新型航空裝備技術指標的提高,對耐高溫、輕質材料和高性能新結構需求不斷增加。蜂窩封嚴結構就是典型的提升航空發動機性能指標的結構,該結構對小格子蜂窩芯成型/拚焊技術和釺焊技術提出了苛刻要求,受到了歐美國家的長期禁運。製造所釺焊、擴散焊專業組技術人員勇挑重擔,分析小格子蜂窩芯特點,研究成功小格子蜂窩芯自動成型和自動拚焊技術與設備,獲國家級獎勵;同時開展蜂窩封嚴結構釺焊工藝及其與熱處理匹配研究,形成蜂窩封嚴結構部件製造技術,將蜂窩封嚴結構推廣到所有航空發動機、航天發動機和燃氣輪機中廣泛應用,顯著提高發動機性能,突破國外技術封鎖。為滿足高推重比發動機對氣路封嚴效果和工作溫度高的要求,隨後又開發了耐高溫蜂窩封嚴結構、刷式密封結構、指尖密封結構等新結構的製造技術,形成氣路封嚴製造技術體係。


TLP擴散焊技術是針對單晶、金屬間化合物、氧化物彌散強化合金等新型高溫材料的組織性能特點,結合釺焊、擴散焊優點發展成的新技術。通過設計研製與基體材料冶金匹配的專用焊料,優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。在導向葉片焊接研究中,也出現過焊縫間隙控製不精確、焊縫兩側台階過大等影響焊縫強度和局部溶蝕的問題。經過大量工藝試驗研究,自主設計開發了多種高性能鎳基、鈷基焊料,已經獲得2項發明專利授權;使Ni3Al定向凝固合金TLP擴散焊接頭高溫持久強度達到基體的90%以上。采用這些新焊料和高強度焊接技術,研製了高推重比發動機高(低)壓渦輪導向葉片雙(三)聯組件,用於裝機試驗,研製的MGH956合金“超級冷卻”多孔層板浮動壁火焰筒經過燃燒室台架試驗,其冷卻效率達到0.85以上、壁麵溫度較氣膜冷卻結構降低70K以上,顯示出優異的冷卻效果和壁溫均勻性,為新型發動機研製奠定了堅實的技術基礎。


為解決焊接性差的粉末合金、陶瓷等構件承力部位焊接難題,研究團隊將場促進條件下原子快速擴散現象引入擴散焊和粉末塗層燒結中,采用直流脈衝電源的溫度控製模式直接加熱陶瓷/金屬、粉末合金/單晶等焊接性差的材料,開展放電等離子擴散焊技術研究,能在20分鍾內實現這些難焊接材料的快速焊合,焊接接頭高溫抗拉強度與基體相近,可用於陶瓷及陶瓷基複合材料構件、整體葉環、渦輪整體盤等構件的焊接製造。采用直流脈衝電源的電流控製模式直接加壓燒結耐磨陶瓷塗層,開展電接觸燒結技術研究,能顯著提高陶瓷塗層的結合強度和內聚強度,大幅度提高耐磨層的使用壽命。這些探索性研究,為未來高性能發動機研製提供技術支持。


金屬蜂窩壁板結構具有重量輕,比強度、比剛度高,耐高溫、耐腐蝕,消音、隔熱等優異性能,在航空航天領域得到廣泛應用,如飛機機身、機翼、發動機艙門、發動機短艙等。近年來中航工業製造所研究出鈦合金、不鏽鋼、高溫合金等柔性蜂窩芯體精密加工技術,大麵積變截麵、變曲率蜂窩壁板結構高焊合率釺焊與無損檢測等新技術,使柔性蜂窩芯加工精度達到0.05mm以內、蜂窩壁板結構釺焊焊合率達到90%以上,並研製出飛機前機身口蓋、後機身側壁板、起動機進氣道等蜂窩壁板結構部件,在不同型號飛行器上成功應用,同時為高速飛行器防隔熱輕質、高溫結構研製奠定了技術基礎。


專用裝備是工藝的載體,中航工業製造所一直注重開展專用工藝裝備的研究開發。從上世紀70年代起先後開發了真空釺焊爐、真空擴散焊爐、真空電弧釺焊設備,為航空、航天、電子、石化及民用領域提供不同型號真空爐設備和焊接工藝技術,以交鑰匙工程形式為軍民工業先進技術發展做出貢獻。目前中航工業製造所有能力為社會各界提供釺焊、擴散焊技術研發和零件的焊接加工。


麵對新世紀我國航空航天科技發展大潮,中航工業製造所致力於在金屬間化合物材料、單晶高溫合金、陶瓷及其複合材料的釺焊與過渡液相擴散焊,單晶/粉末合金、陶瓷/金屬、金屬基複合材料的放電等離子擴散焊領域開展釺焊/擴散焊技術研究工作,突破蜂窩壁板、渦輪葉片、多孔層板、整體葉盤、氣路封嚴等以釺焊/擴散焊為關鍵製造技術的新結構工程化製造難題,並實現蜂窩封嚴、刷式封嚴環、蜂窩壁板、渦輪導向葉片、火箭發動機推力室和射流盤、以及導向器修複等零部件的批量生產,為航空航天技術研發和型號生產提供更有力的支持。


釺焊/擴散焊:傳承與創新的固相焊接技術


釺焊是指在高溫的作用下通過熔化的釺料或液相把不熔化的母材連接起來並形成冶金結合的連接方法。擴散焊是指在高溫和壓力的作用下,相互接觸的材料表麵產生原子間擴散,從而形成可靠連接的連接方法。


盡管釺焊/擴散焊技術出現很早,但其發展卻很緩慢。在進入20世紀之前,它還僅僅是手工作坊裏的一種技藝。20世紀30年代之後,隨著航空、航天、能源和核工業的迅速發展,為滿足構件輕質量、高強度、高剛度、高導電性和導熱性以及某些惡劣工況使用要求,大量新材料、新結構被設計和投入生產,同時也大大推動了現代釺焊/擴散焊技術的發展和廣泛應用。


釺焊過程原理如(圖1)所示,將熔點低於母材的釺料和被釺焊零件同時均勻加熱至釺焊溫度,釺料熔化而被釺焊零件保持固態。熔化釺料潤濕母材並在毛細作用下填充接頭間隙。在隨後的保溫過程中,液態釺料成分向母材中擴散,使得母材近縫區發生微量溶解並與釺料相互擴散,在降溫冷卻過程中接頭形成冶金結合。


在零件釺焊前,首先要做好接頭設計工作,包括以下幾個方麵:


接頭形式:經常使用的釺焊接頭形式有搭接、對接、斜接及T型接等基本形式(圖2)。通常搭接接頭的強度最高,其次是斜接,最差的是對接。


搭接長度:接頭搭接長度太長,會耗費材料、增加構件重量;搭接長度太短,則不能滿足強度要求。在生產實踐中,搭接長度通常為釺焊金屬厚度的3~4倍,但很少超過15mm。


裝配間隙:裝配間隙是影響釺縫致密性和接頭強度的關鍵因素之一。間隙過小,會妨礙釺料的流入;間隙過大,則破壞釺料的毛細作用,釺料不能填滿接頭的間隙,致使接頭強度降低。一般來說,釺料與母材之間相互作用較弱,則需要較小的間隙;釺料與母材之間相互作用較強,就要求間隙較大。


釺料選擇:通常選用的釺料熔點應低於母材熔點幾十度以上,在釺焊溫度下能很好地潤濕母材和填充釺縫間隙;同時與母材能發生相互擴散作用,以獲得牢固的接頭;釺料應不含有對母材有害的元素,能滿足釺焊接頭的力學、物理及化學性能方麵的要求。此外,也必須考慮釺料的經濟性、應盡量少用或不用稀有金屬和貴重金屬。


在零件釺焊時,首先要對被釺焊零件進行表麵處理,包括去油、除氧化膜及在零件表麵鍍覆鍍層等;然後采用緊配合、點焊及夾具定位等方法裝配、固定被釺焊零件和釺料,以保證所要求的釺焊間隙。釺料放置後應在周圍塗止焊劑,以防止熔化釺料漫流鋪展或將焊件與釺焊夾具粘連。釺焊過程中需控製的主要工藝參數是釺焊溫度和保溫時間,以保證釺料能充分潤濕母材並填充釺焊間隙,形成致密的釺焊接頭。


在零件釺焊後,可根據零件使用要求,對被釺焊零件進行後續的擴散熱處理,以提高接頭力學性能。對於使用釺劑的接頭,釺焊後需要將接頭清洗幹淨。


擴散焊過程原理是在真空或保護氣氛環境下,相互接觸的待焊零件表麵在一定溫度和壓力的作用下發生微觀塑性變形形成緊密結合,界麵處金屬原子發生相互擴散,最終形成冶金結合接頭。為滿足渦輪葉片等熱端部件高性能連接需求,在借鑒傳統的釺焊、擴散焊技術優點的基礎上,創新發展了新型的過渡液相擴散焊(TLP)技術。其基本原理是:在待焊麵預先放置成分相近但熔點低於母材的中間層,在保溫過程中,中間層熔化並與母材發生成分擴散,使得接頭在保溫過程中發生等溫凝固,在隨後擴散過程中實現成分與組織的均勻化,最終獲得高性能冶金結合。介於釺焊與擴散焊之間的過渡液相擴散焊的基本操作過程與釺焊相似,但接頭性能顯著提高,因此在航空航天領域得到了廣泛應用。


由於釺焊/擴散焊時工件整體加熱或釺縫周圍大麵積均勻加熱,因此焊後工件變形小,易於保證工件尺寸,且隻要工藝選擇得當,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,可根據母材熔點選擇比母材熔化溫度低的釺料進行焊接,從而避免了釺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。


不同結構材料的零件要求采用不同的釺焊方法,不同的釺焊方法對應不同的釺焊設備。在20世紀五六十年代,所使用的材料主要為碳鋼、鋁合金、不鏽鋼等,相應的釺焊工藝方法是鹽浴釺焊、火焰釺焊、保護氣氛爐中釺焊等。隨著科技的不斷進步,先進鈦合金和高溫合金材料在工業領域逐漸推廣應用,為實現零件小變形、不氧化和高性能連接等要求,主要采用真空釺焊、過渡液相擴散焊等新的釺焊/擴散焊方法,主要設備為真空釺焊爐。同時,為滿足特定需求,開發了相應的新型釺焊工藝和裝備,如真空或氣體保護條件下的感應釺焊、真空電弧釺焊、電子束釺焊和激光釺焊等。


航空發動機是釺焊/擴散焊應用最廣泛的領域之一。歐美各主要航空發動機製造公司非常重視釺焊/擴散焊技術的研究,通過研製新型釺料和中間層材料、開發新型釺焊/擴散焊工藝和裝備,使得釺焊/擴散焊技術逐步從發動機冷端非受力部件擴大到熱端受力的關鍵部件。例如,美國普惠公司JT3D和JT8D發動機壓氣機靜子環,JT9D發動機渦輪葉片、燃油總管、不鏽鋼熱交換器,英國羅羅公司斯貝發動機高壓一級渦輪葉片、RB211和V2500發動機鈦合金風扇葉片均采用釺焊/擴散焊方法製備。其中僅JT3D發動機上的釺焊組件就已多達220餘件。


隨著先進推進係統的發展,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、氣膜冷卻複雜結構高溫部件的製造越來越依賴於釺焊/擴散焊技術的不斷創新發展,這是進入21世紀以來技術進步的大趨勢,因此可以預見,釺焊/擴散焊這一古老的技藝,必將在21世紀科技進步的大潮中迎來久違的春天。


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