重型燃機蜂窩結構真空釬焊工藝技術研究

楊 爍 杜 靜 李文學

（中航工業沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司技術中心，沈陽 110043）

1 引言

早在上世紀90年代初，美國航天領域的科學家在研究航天飛機液體燃料渦輪泵的密封問題時，通過試驗發現蜂窩形狀的密封結構可產生很好的封嚴效果。于是，蜂窩式密封開始在航天飛機、飛機發動機及燃氣輪機上得到推廣應用。所謂蜂窩結構是將正六邊形的蜂窩孔規則排列的蜂窩芯釬焊于密封環內表面的組件，蜂窩的規格（六邊形對邊距離）有 0.8mm、1.6mm、2.5mm 等，蜂窩條帶（六邊形邊）厚度為0.05mm、0.076mm、0.1mm等。蜂窩封嚴結構主要用于軸端密封、級間密封、葉頂密封、透平壓縮機密封和鼓風機中的密封等，具有顯著降低密封的泄漏量、有效抑制密封流體激振和有效減振去濕等特點，因此在航空發動機中和燃氣輪機中為優選的封嚴結構。

在重型燃機上，為實現燃氣的有效使用，減小損失，提高燃機的工作效率，在靜止組件與旋轉組件之間的氣體封嚴廣泛采用蜂窩封嚴結構。該結構的特點是允許轉動部件與靜止部件之間存在一定程度的相互干涉和摩擦，而不致損傷轉動部件，具有較好的可磨蝕性，同時還具有抗冷熱疲勞性能和高的熱強性。在重型燃機上有30余封嚴組件采用蜂窩結構，封嚴組件中既有扇形段蜂窩封嚴件，也有葉片緣板蜂窩封嚴件，蜂窩的規格有0.8mm和1.6mm兩種，蜂窩芯與殼體之間的連接采用真空釬焊工藝。本項目針對重型燃機上的蜂窩結構開展了真空釬焊工藝研究工作。

2 試驗

2.1 材料

2.1.1 試驗用材料

試驗所用試樣材料為1Cr18Ni9Ti、GH4708、GH536和K4104合金，試驗所用釬料為 B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н），為粉末狀釬焊料，粒度為-140目。

2.1.2 試樣結構

拉伸試樣的尺寸為Φ13×33，兩個試棒對接，試棒結構如圖1所示，在對接處放置BNi73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）釬料。

圖1拉伸試樣結構

剪切試樣的尺寸為95×40×2.0（高溫），45×25×2（室溫），兩個試片搭接并用儲能點焊定位，試片結構如圖2所示，在搭接處的一側放置 B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）釬料。

圖2剪切試樣結構

蜂窩結構試樣是將GH536蜂窩釬焊到GH4708、GH536 和 1Cr18Ni9Ti試片上。

2.2 設備

釬焊試驗是在VEQ5654-6真空釬焊爐中進行的，該設備的最高工作溫度為1250℃，熱態真空壓力低于3×10-4乇，漏氣率≤2.0Pa/h。

2.3 工藝

2.3.1 釬焊工藝參數

釬焊試驗采用的工藝參數為:以10℃/min的速度升溫至550℃，保溫15min，再以7℃/min的速度升溫至1000℃，保溫20min，最后以5℃/min的速度升溫至1100℃，保溫10min釬焊，焊后隨爐冷卻至1000℃后進行快冷，冷卻到100℃以下試樣出爐，釬焊過程中真空壓力低于4×10-2Pa（充氬快冷時除外）。

蜂窩結構試樣的釬焊工藝程序是將BNi73CrSiB-40Ni-S釬料用特殊粘結劑制成粘帶狀，粘帶厚度為0.4~0.6mm，將粘帶釬料壓入蜂窩芯格中，采用儲能點焊把蜂窩與試片定位在一起，對裝配后的試樣進行烘干（140℃±10℃，1h），然后將蜂窩結構試樣放入真空釬焊爐中進行釬焊，釬焊參數同上。

2.3.2 釬焊后加工

試樣釬焊后，將釬焊接頭的拉伸和剪切試樣加工成標準性能試樣，進行接頭的性能測試。蜂窩結構試樣采用線切割的方法進行剖切，并進行金相檢查，檢查蜂窩結構的內部釬焊情況。

2.4 結果

試樣釬焊后，將釬焊接頭的拉伸和剪切試樣加工成標準性能試樣，進行接頭的性能測試。

3 結果討論與分析

釬焊接頭的拉伸和剪切性能測試結果看，1Cr18Ni9Ti與GH536的釬焊接頭，室溫、500℃、700℃時釬焊接頭的拉伸強度（σb）分別為 319MPa、294 MPa、277 MPa，1Cr18Ni9Ti材料室溫和700℃時的拉伸強度σb≥540MPa和 σb=284MPa，則 1Cr18Ni9Ti與 GH536 的釬焊接頭的強度系數約為59%和97%；GH4708與GH536的釬焊接頭，室溫、500℃、700℃時釬焊接頭的拉伸強度（σb）分別為345mPa、295 mPa、225 mPa，GH536 材料室溫和 700℃時的拉伸強度σb≥725mPa和σb=435mPa，GH4708與GH536的釬焊接頭的接頭強度系數約為48%和52%；K4104與GH536的釬焊接頭，室溫、500℃、700℃時釬焊接頭的拉伸強 度 （σb） 分 別 為 437mPa、347 mPa、340 mPa，與GH536材料室溫和700℃時的強度相比，K4708與GH536的釬焊接頭的接頭強度系數約為60%和78%。由上述分析結果看，不同材料組合的釬焊接頭強度系數有所不同，主要是由于各種材料本身的強度不同造成的，但在同一溫度下，各種材料組合的釬焊接頭均有較好的強度，同時1Cr18Ni9Ti與GH536、GH4708與GH536的釬焊接頭在室溫、500℃、700℃時也具有較好的剪切強度。

從金相照片上看，蜂窩與試片的焊接質量很好，釬料潤濕試片并填充釬焊間隙，蜂窩條帶厚度沒有減薄，說明釬料B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）在確定的工藝參數下對GH536合金沒有溶蝕傾向，能夠滿足蜂窩結構的釬焊要求。

結論

4.1 用 B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）釬料釬焊（1Cr18Ni9Ti、GH536、GH4708）與GH536合金，其釬焊接頭室溫和高溫下具有較好的瞬時抗拉強度和抗剪強度，在確定的釬焊工藝參數下，釬料對GH536蜂窩材料無溶蝕傾向。

4.2 采用確定的釬焊工藝程序，能夠釬焊出滿足使用要求的蜂窩結構零件。

[1]張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊.[M]北京:機械工業出版社，2008（09）.

[2]航空制造工程手冊--焊接分冊