釬焊技術在航空領域的應用與發展

Ben Hargreaves

釬焊作為人類最早使用的材料連接方式，在航空領域的應用由來已久。近年來，隨著航空制造和航空維修領域提出的技術挑戰的增多，該項技術也在與時俱進，發展步伐不斷加快。

釬焊是人類最早使用的材料連接方法之一，在人類尚未開始使用鐵器時，就已經發明用釬焊連接金屬。在航空領域新材料開發和增材制造中釬焊更是幾乎遍布飛機的所有結構，是非常關鍵的一項制造技術。

位于美國加州海沃德市的摩根先進材料（Morgan Advanced Materials）公司（也稱為WesGo）是一家專門從事釬焊合金研發制造的全球化先進材料制造商。摩根先進材料公司的合金用途廣泛，從修理航空發動機渦輪葉片，到制造用于航天器的火箭噴嘴，再到制造液壓組件。

位于英國劍橋南部的焊接研究所（TWI）也非常認同釬焊在航空航天領域的廣泛應用，并認為渦輪葉片的制造和修理是最重要的釬焊應用領域之一。除此之外，釬焊技術也被用于壓力、溫度和速度傳感器的裝配，鋁、鋼換熱器的制造，以及老舊飛機上液壓管路的制造。當前TWI著眼于未來，正在研究適用于增材制造（3D打印）生產的航空航天部件的釬焊技術。釬焊的應用特點

釬焊，是指低于焊件熔點的釬料和焊件同時加熱到釬料熔化溫度后，利用液態釬料填充固態工件的縫隙使金屬材料連接起來的一種焊接方法。釬焊時，首先要去除母材接觸面上的氧化膜和油污，以利于毛細管在釬料熔化后發揮作用，增加釬料的潤濕性和毛細流動性。根據釬料熔點的不同，釬焊又分為硬釬焊（焊料熔點高于450℃，接頭強度大于200 MPa）和軟釬焊（釬料熔點低于450℃，接頭強度小于70MPa）。釬焊的應用特點主要有以下幾方面。

1.釬焊加熱溫度較低，接頭光滑平整，組織和機械性能變化小，變形小，工件尺寸精確。

2.可焊同種金屬，也可焊異種材料，且對工件厚度差無嚴格限制。

3.有些釬焊方法可同時焊多焊件、多接頭，生產效率很高。

4.釬焊設備簡單，生產投資費用少。

5.接頭強度低，耐熱性差，焊前清整要求嚴格，釬料價格較貴。

以真空釬焊為例，它是一種清潔無氟工藝，適用于具有優異外形穩定性的高強度部件，無空隙和雜質，能抗沖擊和振動，能承受高壓。位于英國伯里（Bury）的航空航天熱處理和真空釬焊專業公司WallworkGroup認為，釬焊適用于多零件和復雜部件的組裝，以及連接異種材料，包括部分非金屬。Wallwork稱，要連接的零件可以通過多種方法生產，如冷沖壓和成型、鑄造、鍛造、擠壓、制造或加工，可由幾乎任何金屬、合金甚至陶瓷制成。釬焊的一大優點是它能將相同或不同金屬以一種非常堅固的方式連接起來。釬焊在航空航天業的新進展

釬焊在航空航天工業中的廣泛應用與其諸多優點分不開，例如可同時加工多個零件，有助于節約成本;可同時成型多個接頭;可均勻加熱和冷卻整個組件，使零件變形最小。另外，釬焊還可將具有不同熱膨脹系數的材料連接起來，包括陶瓷。

TWI認為，這項技術很有發展前景。現在，TWI公司正在尋求對工藝、系統與質量以及工藝研發的過程控制、改進和審計。

與摩根先進材料公司和Wallwork公司類似，TWI也在采用真空爐技術和其他技術進行釬焊。最近TWI投產了一個新的工業級真空爐，以滿足當今航空航天領域的工藝、質量控制和文件要求。例如，釬焊部件必須滿足的航空航天標準有IS09001、AS9100、NADCAP、AMS2750Rev E以及國際公認的釬焊標準。

適用于釬焊的材料

摩根先進材料公司的海沃德工廠正在研發陶瓷一陶瓷、陶瓷一金屬和金屬一金屬接頭的釬焊工藝，包括設計機械參數和熱參數，以及在真空釬焊和氫釬焊環境下的合金選擇。該工廠占地2萬多平方米，是摩根先進材料公司研究連接技術的卓越中心。

摩根先進材料公司現場生產的釬焊合金材料通常是金銀等貴金屬。除了生產和供應以金屬絲、粉末、薄板、箔材和膏體形式的釬焊合金外，還為客戶提供現場釬焊服務。在金屬行業，摩根先進材料的曾用名Wesgo更為人熟知，其最初的背景是貴金屬回收商和經銷商，如金、銀和鉑等高純度貴金屬。金和銀都是耐高溫、耐腐蝕的高強度金屬材料。

在英國的TWI，鎳、銀和其他貴金屬被用作釬焊填充金屬。在摩根/Wesgo公司，其他用于制作釬焊合金的金屬還有鈀和鈦。

隨著航空發動機對溫度要求的不斷提高，工程師們開始對陶瓷材料越來越感興趣，尤其是陶瓷基復合材料在渦輪葉片中的應用成為了提高航空發動機效率的關鍵。據英國劍橋大學工程系介紹，大多數工程用陶瓷材料是在1000℃以上的溫度環境下使用，但此時的陶瓷材料不僅韌性較差，且較難連接。但摩根先進材料公司正是考慮采用活性釬焊合金將這些陶瓷材料直接連接到發動機內部的金屬結構上，不需要鍍金屬，一步到位，緩慢完成，而且不會出現任何裂紋。

釬焊在MRO領域的應用

在MRO領域，摩根先進材料公司生產的預燒結預制成型件（PsP）被用于修復渦輪葉片。當葉片因過熱和磨損損壞時，可使用這種帶有少量與母材金屬混合的釬焊合金PSP將其修復。該工藝主要用于渦輪葉片裂紋和磨損區域的修復。同時，這也意味著該工藝可以作為制造發動機外殼新的鑄件或鍛件的另一種生產方式。

PSP是由高溫合金和釬焊粉末混合而成，可根據客戶需求制成板狀或特殊形狀的混合物，能有效實現磨損表面的選擇性堆積，從而節省時間和成本。通過可擠壓的粘合方式還可在難以到達的區域涂敷PSP，而刷涂形式適于修復深或窄的裂紋或微裂紋。此外，摩根先進材料公司稱，采用PsP部件修復零部件所需的焊后加工很少。對于一些貴重組件，通過PSP處理不僅可以完成修復，還可以延長使用壽命。技術應用前景

關于釬焊技術的應用前景，重要的一個方向是真空爐釬焊，其靈活性有力地推動了釬焊技術在先進航空航天領域中的應用。以英國Reaction Engines公司為例，該公司是一家依靠釬焊技術開發高技術的航空航天企業。2018年年底，Reaction Engines公司宣布，已研制安裝了一個巨大的定制真空爐，為高超聲速推進系統“協同吸氣式火箭發動機”（SABRE，“佩刀”）的預冷系統提供釬焊。SABRE項目旨在將燃油噴氣發動機的燃油效率與火箭發動機的高速性能相結合。根據設計計劃，SABRE為高超聲速飛機提供動力，飛行速度超過馬赫數5，相當于將波音747飛機飛行20h的航程壓縮到4h內。

sABRE的設計核心是超輕量熱交換器（預冷器），其功能是防止發動機部件在高速飛行時出現過熱。為此，Reaction Engines]2程師需要確保使用的材料重量超輕、堅固，并且它們可以彼此連接在一起。但工程師們最終認為，制造預冷器需要一個專門的熔爐，因為預冷器實際上是一個由超細但非常堅固的金屬管組成的復雜系統，專門的熔爐能夠精確地控制釬焊過程，從而產出具有“獨特形狀、幾何結構和冶金特性”的設計。預冷器由數以千計攜帶冷卻劑的薄壁管組成，微細管的長度約2000km，管壁厚度卻只有人類頭發絲直徑的一半。要求每個接頭處都必須密封，使系統能在幾秒之內將空氣溫度從1000℃降至一150℃。

作為Reaction Engines公司該項目的合作商，美國Consarc公司負責生產真空感應熔爐、真空電弧重熔爐和真空精密熔模鑄造爐等爐及相關系統，以及專有工藝的特種熔爐，現已向ReactionEngines公司交付了一臺定制的真空釬焊爐，用于制造預冷器。從真空性能到溫度控制，關于熔爐的所有性能參數都經過了嚴格的計算，可以確保其計算結果精確、可重復利用。

采用這種獨特的真空釬焊爐能夠在受控和可重復的條件下快速、準確地加熱和冷卻含有大量精密管道的模塊化組件。Reaction Engines公司表示，熔爐的熱區爐料尺寸是世界上同類爐料中最大的，直徑為2.5m，高度為1.5m，如此之大尺寸的熔爐不僅能容納預冷器的測試件，還能容納最終構成SABRE全尺寸生產版本的部件段。

摩根先進材料公司表示，對于像Reaction Engines的預冷器這樣非常復雜的組件而言，采用釬焊技術制造非常經濟。通常，一個包含有1000個接頭的組件放在真空爐里，4小時即可完成。在航空航天應用中，釬焊還非常適于連接不同厚度的材料以及不同性質的材料，如金屬與陶瓷，或鋼材料與鎳合金。未來，隨著3D打印制造技術的廣泛應用，所采用的材料種類也將日趨豐富，但無論這些材料如何混合，它們都會有連接的需求。因此可以預見未來的釬焊技術在增材制造部件中的應用也將會越來越重要。