大間隙釬焊用混合粉狀高溫鎳基釬料的潤濕性和顯微組織

梁 海，葉 雷，毛 唯

(北京航空材料研究院，北京100095)

提高高溫合金大間隙釬縫的熱強性一直是釬焊領域的一個重要研究對象。起初人們通過加入純金屬或合金粉末，基本解決了釬縫成形和減少低熔點共晶組織以及粗大的脆性化合物的問題［1，2］。后來又通過加入含有Al，Ti的高溫合金粉末并結合釬焊后擴散熱處理的大間隙釬焊方法，使常規不含Al，Ti的鎳基或鈷基釬料取得一定的γ'強化的效果［3～5］。但是由于上述大間隙釬焊中使用的鎳基釬料不含γ'強化相形成元素，釬縫合金中的γ'相需要通過高溫合金粉末或母材中的合金元素的擴散形成，因此其強化效應相對較弱。研究表明在通常窄間隙釬焊中，使用5%的Al，Ti含量的鎳基釬料，釬縫中形成了大量的γ'強化相［6］。而國外近年也有類似的研究［7］，對使用了一種含3.5%Al的鎳基釬料與某種填料混合后進行釬焊的釬縫中的組成相分析表明，釬縫中形成了γ'強化相，但是由于Al含量相對較少，釬縫γ'強化相的數量也少。根據這一情況，研究通過使用高Al，Ti含量的高合金化鎳基釬料來提高大間隙釬縫金屬中的Al，Ti合金元素含量是有必要的，這樣可以使釬縫中形成數量更多的彌散分布的γ'強化相，從而進一步提高大間隙釬縫的熱強性。

本工作采用約含5%Al，Ti的高合金化鎳基釬料粉末與γ'相沉淀強化型鎳基高溫合金粉末相互混合，制備了大間隙釬焊用的混合粉狀釬料，并對混合釬料的潤濕性、合金元素的分布與均勻化以及顯微組織進行了研究。

1 實驗設備、材料和方法

使用北京航空材料研究院的ZKH-1真空擴散爐和真空氫氣釬焊/擴散焊爐，二者熱態真空壓強可達1×10—2Pa水平。

鎳基釬料采用真空霧化法制備，主要含有Al，Ti，Cr，W，Mo，Nb，Si，B和C，其中各元素的含量(質量分數/%)為:Al 4.33，Ti 0.46，W 8.84，Nb 10.3，Ni余量。釬料為球形粉狀，粒度為-80目。該釬料的固-液相線溫度區間為1190～1210℃。高溫合金粉末為FGH95氬氣霧化球形粉末，粒度為-150～+200目。主要成分(質量分數/%)為:Al 3.30～3.70，Ti 2.30～2.70，W 3.30～3.70，Cr 12.0～14.0，Mo 3.30～3.70，Nb 3.30～3.70，Co 7.00～9.00，Ni余量。該合金的固-液相線溫度區間為1260～1348℃。釬焊用母材為1Cr18Ni9Ti板材。

研究了不同配比的混合釬料在不同釬焊溫度下的釬焊鋪展和潤濕性，以及釬焊后1180℃/4h熱處理擴散行為。采用光學顯微鏡、掃描電鏡和X射線能譜儀對釬料合金進行了顯微組織觀察和成分分析。金相試樣采用化學法腐蝕，其腐蝕劑配方為:硝酸∶氫氟酸∶甘油=1∶2∶3，腐蝕溫度為室溫，腐蝕時間為50s左右。

2 實驗結果及分析

2.1 混合粉狀釬料工藝性實驗

在溫度分別為1210℃，1220℃，1230℃，保溫時間為30min，釬料與鎳基高溫合金粉末的配比為2∶3，1∶1，3∶2，7∶3的條件下進行了釬焊工藝性實驗。研究了釬料與合金粉末的配比和釬焊溫度對混合粉末釬料的成形、潤濕鋪展性的影響。釬焊實驗結果見表1和圖1。

在釬焊溫度為1210～1230℃的條件下，釬料與合金粉末的配比為1∶1，3∶2，7∶3的混合釬料具有良好的潤濕鋪展和成形性能。從表1的實驗結果看，釬焊溫度對混合釬料的工藝性能無明顯影響;混合釬料的工藝性能主要受配比的影響。配比為2∶3的釬焊合金由于釬料少，其潤濕鋪展和成形性能差，難以形成釬縫。雖然釬料合金中合金粉的含量越高，越有利于釬焊接頭中低熔點脆性相減少，但是其釬焊工藝性會變得越差。因此，混合釬料只在一定的配合比例條件下才具有使用價值，添加合金粉末的比例不能太高，實際加入量要依據具體的工藝要求而加以確定，其最大加入量最好不要超過50%。

表1 釬焊溫度為1210～1230℃的潤濕和鋪展實驗結果Table 1 Wetting and spreading results obtained at brazing temperatures of 1210-1230℃

圖1 不同配比混合釬料在1Cr18Ni9Ti板材上的潤濕和鋪展(釬焊參數為1220℃，30min) (a)配比1∶1;鋪展;(b)配比3∶2;鋪展;(c)配比7∶3;鋪展;(d)配比1∶1，潤濕; (e)配比3∶3，潤濕;(f)配比7∶3，潤濕Fig.1 Wetting and spreading on 1Cr18Ni9Ti sheets of the brazing metals with different powder mixing ratios brazed at 1220℃ for 30min (a)ratio 1∶1，spreading;(b)ratio 3∶2，spreading; (c)ratio 7∶3，spreading;(d)ratio 1∶1，wetting; (e)ratio 3∶2，wetting;(f)ratio 7∶3，wetting

2.2 釬縫金屬的顯微組織和成分分析

采用三種配比的混合釬料，鎳基釬料與高溫合金粉末FGH95的配比分別為1∶1，3∶2，7∶3，釬焊溫度為1210℃，1220℃，1230℃，保溫30min，制備系列不銹鋼釬焊接頭。對上述接頭進行光學電鏡、掃描電鏡和能譜儀分析。其典型接頭釬縫金屬的顯微組織分別見圖2、圖3、圖4和圖5所示。釬縫金屬及其組成相的能譜成分分析結果見表2。

2.2.1 釬縫金屬的顯微組織分析

從圖2中可以看到，釬縫金屬的顯微組織由等軸的γ固溶體枝晶和晶間化合物相組成。對晶間化合物進行背散射電子像觀察，如圖3所示，晶間化合物包括較多的灰色或白色大塊狀或形狀不規則的化合物相，以及少量晶間白色長條或骨架狀的化合物相。由表2中各相的能譜成分分析結果可判斷，圖3中的白色塊狀相是含鎢、鉬、鈮的MC碳化物;灰色塊狀相為Ni3Si鎳硅化合物;而少量的白色長條或骨架狀化合物，從形態和數量上看應為Ni3B鎳硼化合物相。本實驗所用釬料的硼含量低，大約只有普通鎳基釬料含硼量的1/10～1/20左右，因此形成的硼化物數量很少。對釬縫組織進行掃描電鏡觀察，如圖4所示，γ枝晶和γ枝晶間都彌散分布有細小的γ'相，并在γ枝晶間有少量γ+γ'共晶。

從圖2可以看到，隨著鎳基釬料在混合粉末釬料中含量的增加，晶間化合物的數量有所增多。這些化合物相主要以塊狀和顆粒狀存在，并分布在枝晶間，數量較多，尺寸較大，局部分布過于密集。但是，與單純釬料相比［6］，顯微組織的形態得到了根本改變。具體表現為，γ等軸固溶體枝晶基體取代了低熔共晶，脆性化合物相由自由生長的具有方向性的長條形轉為分散的顆粒狀，化合物的總量減少。原因是由于鎳基高溫合金粉末加入后，熔化的釬料只能填充合金粉末球形顆粒間形成的無數個細小的毛細空間，加之合金粉末的合金化作用，純釬料中常見的粗大密集的化合物的自由發展受到抑制，導致釬料凝固后的組織發生了顯著的改變。雖然混合釬料合金的組織明顯優于純釬料的組織，但是，γ枝晶間的化合物相數量仍然多，大部分分布過于密集，尺寸偏大，并有少量長條形化合物相沿枝晶間分布。通常為得到好的高溫強度和塑性，希望在鎳基高溫合金的晶界或枝晶界上的化合物相呈一定尺寸的顆粒形鏈狀分布。如果大尺寸硬脆相在晶界或枝晶界連續分布或呈連續的膜狀分布，那么在高溫應力作用下，這些部位極易形成裂紋源并成為裂紋快速擴展的通道，將會對高溫持久強度和塑性及疲勞性能產生致命影響。與純釬料相比，混合釬料合金中化合物相基本呈顆粒狀斷續分布，其分布和形態的趨勢對高溫性能是較為有益的。所以在γ基體組織得到強化后，改善晶間組織對混合釬料合金也是十分必要的。

表2 釬縫金屬組成相的能譜儀成分分析結果(釬焊參數為1220℃，30min;質量分數/%)Table 2 EDS analysis results of different phases in the brazing metals brazed at 1220℃ for 30min(mass fraction/%)

2.2.2 釬縫金屬的成分分析

從表2中的釬縫金屬、γ枝晶干和γ枝晶間的固溶體的能譜成分分析結果可以看出，釬料與合金粉末的混合比為1∶1，3∶2，7∶3的釬縫金屬的Al+ Ti的實測含量分別為5.49%，5.27%和5.06%，與前述的三種成分的合金釬料的Al+Ti的計算含量5.40%，5.27%和5.15%基本一致。

從焊態的γ枝晶干和γ枝晶間的固溶體的能譜成分分析結果看出，鋁在枝晶間有一定偏析，但梯度差不太大;鈦在枝晶間也有一定偏析，梯度差相對較大;其他合金元素如鈮、鎢則存在大的偏析，鈮呈現正偏析，鎢呈現負偏析;鈷則分布均勻，基本看不到偏析;而鉻和鉬有偏析存在，但不明顯。總的來看，焊態釬縫金屬中的鋁和鈦的偏析情況并不明顯，而鈮和鎢的偏析情況則很嚴重，其他合金元素的偏析情況存在但不顯著。其他學者的研究表明，在鎳基鑄造高溫合金中，鎢優先分布于枝晶軸上，而鉬則集中于晶界和枝晶界，同時加入鎢、鉬可起到綜合強化效果［8］。因此，由于釬料合金中同時加入了鎢、鉬，可在一定程度上彌補釬焊鑄造態的元素偏析的不利影響。另外，經過后續的1180℃/4h擴散熱處理，各合金元素的分布也能得到了均勻化，可見元素擴散處理形成的合金化效果明顯，混合釬料合金的合金元素偏析也易于消除。另外，也可看到，混合釬縫金屬中含有10種常用的鎳基高溫合金強化元素，其含量也與某些高性能合金母材接近［9］，從而具有綜合強化鎳基高溫合金的特征。但是與鎳基高溫合金母材不同的是，釬料合金中含有相當數量的降熔點元素硅和硼，這些降熔元素的存在必將對釬料合金的性能造成不利影響，這一點必須給予足夠重視。

2.2.3 釬縫金屬顯微組織中γ'強化相的分析

由于釬縫金屬中Al+Ti含量較高，從圖5中可看到，其γ枝晶內和晶間分布有γ'強化相。γ'強化相主要呈立方體存在，也有呈球狀或不規則形狀存在。枝晶干和枝晶間的γ'強化相，都呈均勻的彌散分布并且數量很多，只是枝晶間的γ'尺寸略大。經測量，γ'平均尺寸大約在0.3μm左右。經計算機圖像分析測算，釬料與鎳基高溫合金粉末配比1∶1，3∶2和7∶3對應釬縫金屬中γ'相平均體積含量分別為57.3%，51.1%和48.4%。混合釬料中合金粉末含量的提高，增加了釬料合金中的Al+Ti元素含量，使γ'強化相的析出量增加。此外，在釬縫金屬的γ枝晶間還存在著少量的γ+γ'共晶，共晶γ'的尺寸較大。隨著上述粉末配比的增加，γ+γ'共晶的數量也有一定增多。

一般在鎳基高溫合金中，γ'相形態主要有兩種:球狀和立方體狀。一般球狀尺寸較小，約10～ 100nm，共格界面;立方體狀γ'尺寸較大，約100～800nm，甚至更大，為半共格界面。球狀及立方狀γ'有好的強化效果。此外，在特殊條件下γ'可以有各種不規則形狀［8］。因此，上述釬料合金中的γ'相析出的形態和大小較為適宜。

γ'相的情況對鎳基高溫合金性能有很大影響，其中最基本的因素是γ'相的數量，γ'相的總量決定了合金的水平，γ'相的總量增加，熱強性能提高［8］。三種釬料合金中的γ'相含量最大已經接近了目前國內主要的鑄造鎳基高溫合金的水準，如K403合金，其鑄態下的γ'相體積分數為58%～59%，固溶熱處理態的γ'相體積分數為57%左右。而FGH95粉末高溫合金的γ'相體積分數為50%左右，與其余兩種釬料合金的含量水平相當。可見釬料合金具有相當可觀的γ'相強化潛力。

3 結論

(1)混合比例適當的粉狀釬料對不銹鋼具有較好的潤濕鋪展性;其釬縫金屬的合金化效應顯著，Al +Ti合金元素的最高含量可達5.49%;除Nb，W外，釬縫主要強化元素無明顯偏析，且經1180℃/4h擴散處理可消除其偏析。

(2)釬縫金屬的組織較為均勻，基體為等軸γ固溶體枝晶。γ枝晶間分布有塊狀、顆粒狀和短條狀的化合物相，并在γ枝晶間有少量γ+γ'共晶。在γ固溶體中分布著大量彌散的細小γ'沉淀強化相。

(3)使用含Al，Ti的鎳基釬料與FGH95高溫合金混合粉末的方式，可以有效提高釬縫金屬中γ'的相形成能力。經測算，混合比1∶1的混合釬料中γ'相體積平均含量可達57.3%。

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