擴(kuò)散焊溫度對(duì)GH4169內(nèi)部流道的影響規(guī)律研究

韓芳明，韓昌亮

（1.航天海鷹（哈爾濱）鈦業(yè)有限公司，哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

近年來(lái)，隨著微通道換熱器（簡(jiǎn)稱：PCHE）在能源行業(yè)的廣泛應(yīng)用[1-3]，PCHE的工作溫度已經(jīng)成為動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)提高系統(tǒng)參數(shù)來(lái)提升系統(tǒng)整體性能的主要障礙，尋求具有更高耐溫能力的PCHE的制造方法是能源行業(yè)亟待解決的重要工藝問(wèn)題。

GH4169是我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的高溫合金之一[4-5]，具有極高的熱強(qiáng)特性，可以有效地解決PCHE在高溫條件下因強(qiáng)度降低導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法使用的問(wèn)題。鑒于此，針對(duì)PCHE廣泛采用的擴(kuò)散焊工藝[6-8]，對(duì)PCHE的焊接強(qiáng)度和內(nèi)部流道變形規(guī)律進(jìn)行研究，為高溫PCHE的制造提供試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 材料及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用撫順特鋼生產(chǎn)的板厚為2 mm的GH4169高溫合金板材，其性能如表1所示。

表1 GH4169參考性能數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)件采用大小為95 mm×95 mm×2 mm的薄片通過(guò)擴(kuò)散焊制備，薄片具有兩種規(guī)格，一種為通過(guò)機(jī)械加工而成的流道板，如圖1所示，相鄰流道板在使用時(shí)需選中90°交替放置；另一種為僅加工有工藝孔的原材料板，如圖2所示。試驗(yàn)件分為3種：1）試驗(yàn)件A。由31張平蓋板堆疊在一起經(jīng)擴(kuò)散焊制備而成，用于確定GH4169的擴(kuò)散焊強(qiáng)度。2）試驗(yàn)件B。由4張流道板和4張平蓋板堆疊在一起經(jīng)擴(kuò)散焊制備而成，用于確定GH4169內(nèi)部流道的變形程度。3）試驗(yàn)件C。由10張流道板和20張平蓋板堆疊在一起經(jīng)擴(kuò)散焊制備而成，用于確定GH4169內(nèi)部流道的變形規(guī)律。

圖1 高溫合金流道試板

圖2 高溫合金平蓋板

首先采用酸洗的方式清洗GH4169薄片，具體步驟如下：1）用10%的NaOH水溶液浸泡薄片30 min，并用海綿清洗薄片表面；2）取出試樣，用清水沖洗；3）按照ψ（HNO3）∶ψ（HF）∶ψ（H2O）=15∶1∶84的配比配置溶液；4）室溫下，薄片在溶液內(nèi)保持10 min；5）取出試樣，用清水沖洗；6）用干燥的工藝氣吹干薄片。

對(duì)試驗(yàn)件A進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)件B切割后，觀測(cè)內(nèi)部流道，對(duì)試驗(yàn)件C同時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和內(nèi)部流道觀測(cè)。采用線切割的方式在試驗(yàn)件上進(jìn)行取樣或切割，拉伸試樣和彎曲試樣如圖3和圖4所示，對(duì)試驗(yàn)件B和試驗(yàn)件C 的切割位置，分別是距離橢圓形匯流口5 mm和15 mm的位置，加工前后的試驗(yàn)件如圖5和圖6所示。

圖3 拉伸試驗(yàn)完成圖

圖4 彎曲試驗(yàn)完成圖

圖5 試驗(yàn)件加工前示意圖

圖6 試驗(yàn)件加工后示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 表面質(zhì)量對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

分別對(duì)電拋光和酸洗處理的GH4169薄片進(jìn)行擴(kuò)散焊接，工藝參數(shù)均為：焊接溫度為1200 ℃，焊接壓力為16 MPa，保溫時(shí)間為120 min。對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行本體取樣、拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 力學(xué)性能參數(shù)對(duì)照表

由表2可知：采用電拋光處理工藝的試驗(yàn)件1的各項(xiàng)性能參數(shù)均低于采用酸洗處理工藝的試驗(yàn)件的性能參數(shù)，且試驗(yàn)件2的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和截面收縮率均達(dá)到GH4169板材性能參數(shù)的80%。

2.2 擴(kuò)散焊溫度對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

擴(kuò)散焊溫度是擴(kuò)散焊最重要的工藝參數(shù)，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，擴(kuò)散速度越快，結(jié)合強(qiáng)度也越大。本試驗(yàn)以焊接壓力為16 MPa、保溫時(shí)間為120 min作為固定焊接參數(shù)，對(duì)擴(kuò)散焊溫度分別為1050、1100、1150、1200℃的試驗(yàn)件進(jìn)行本體取樣，并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，各性能參數(shù)如表3所示。

由表3可知：隨著焊接溫度的增大，擴(kuò)散焊接頭的屈服強(qiáng)度和延伸率逐漸增大，但當(dāng)焊接溫度超過(guò)1150 ℃后，焊縫過(guò)熱，晶粒出現(xiàn)粗化，力學(xué)性能有所降低，而當(dāng)焊接溫度低于1100 ℃后，焊縫擴(kuò)散不充分，連接強(qiáng)度較低，斷面為典型的解理面。擴(kuò)散焊接頭的抗拉強(qiáng)度對(duì)焊接溫度無(wú)明顯的影響，數(shù)值波動(dòng)在10%左右，相對(duì)于隨爐試樣1100～1200 MPa的抗拉強(qiáng)度，擴(kuò)散焊接頭的連接強(qiáng)度為母材強(qiáng)度的85%以上。

表3 拉伸試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比表

2.3 擴(kuò)散焊溫度對(duì)于內(nèi)部流道的影響

以焊接壓力為12 MPa、保溫時(shí)間為120 min作為固定焊接參數(shù)，擴(kuò)散焊溫度分別為1050、1075、1100 ℃對(duì)試驗(yàn)件B進(jìn)行擴(kuò)散焊接，對(duì)試驗(yàn)件B進(jìn)行線切割加工，如圖6所示，試驗(yàn)件B每排有8個(gè)流道，共2排，不同焊接溫度下的流道截面收縮率如圖7和圖8所示。

圖7 近形心截面收縮率變化趨勢(shì)圖

圖8 遠(yuǎn)形心截面收縮率變化趨勢(shì)圖

由圖7和圖8可知：近形心截面的收縮率明顯低于遠(yuǎn)形心截面的收縮率，即流道進(jìn)出口的變形量明顯大于流道內(nèi)部的變形量；同排流道的截面收縮并無(wú)明顯的趨勢(shì)，但隨著溫度的升高，流道截面的收縮率逐漸增大，試驗(yàn)件B每排流道的平均收縮率如表4所示。

表4 流道收縮率對(duì)比表

以焊接壓力為12 MPa、焊接溫度為1050 ℃、保溫時(shí)間為120 min作為工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)件C進(jìn)行擴(kuò)散焊接，經(jīng)線切割制樣后如圖9所示，各流道的截面收縮率如表5所示。

圖9 試驗(yàn)件C線切割后示意圖

表5 試驗(yàn)件C的流道截面收縮率列表

由表5可知：試驗(yàn)件內(nèi)部流道上下兩層的收縮率明顯高于內(nèi)部流道中間部分的收縮，且流道的收縮率從試驗(yàn)件的中間向兩側(cè)逐漸變大，但同層流道的收縮率變化較為一致，無(wú)明顯波動(dòng)。這是由于內(nèi)部流道板上下兩側(cè)的流道板作為阻尼，吸收了部分焊接壓力，降低了內(nèi)部流道板焊接面上的應(yīng)力水平，從而降低了內(nèi)部流道板的應(yīng)變。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)全面研究了擴(kuò)散焊溫度對(duì)于PCHE內(nèi)部流道的影響規(guī)律，主要結(jié)論為：1）電拋光工藝將降低GH4169高溫合金的擴(kuò)散焊連接強(qiáng)度；2）在焊接壓力為16 MPa、保溫時(shí)間為120 min條件下，擴(kuò)散焊接溫度在1100～1150℃之間時(shí)，GH4169的擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材強(qiáng)度的85%以上；3）材質(zhì)為GH4169的PCHE內(nèi)部流道截面收縮率隨著擴(kuò)散焊接溫度的升高而增大；4）PCHE內(nèi)部流道進(jìn)口處的截面收縮率大于內(nèi)部截面收縮率，且沿?cái)U(kuò)散焊方向，兩側(cè)流道的截面收縮率大于內(nèi)部流道的收縮率。