渦輪導向葉片真空釬焊工藝的改進研究

張浩洋

（南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

1 前言

在航空工業領域中，渦輪導向葉片是重要的結構件之一。由于其具有較高強度和剛度以及良好的抗沖擊性能等特點，因此被廣泛應用于飛機發動機上，并且也應用到了一些其他類型的機械加工中。但是因為渦輪導向葉片自身存在較大的缺陷，所以很難保證加工出來的產品能夠滿足相關標準要求。而通過采用真空技術可以有效地改善這種情況。目前對于渦輪導向葉片來說,主要有兩種焊接方法：一種是熔化極惰性氣體保護焊(MIG)；另一種則是鎢極氬弧焊(TIG)。前者屬于傳統的焊接方式,后者則屬于新型的焊接方式。雖然這兩種焊接方式各有利弊,但都需要經過一定時間才能完成整個過程。如果想提高生產效率，就必須縮短這一過程所消耗的時間,這樣一來，就會導致生產成本大大增加。因此，在實際工作中應該盡量避免使用這兩種焊接方式。目前我國正在大力推進航空事業的發展,所以對于航空器來說,其性能要求非常高,不僅僅只是能夠正常飛行那么簡單,還需要具備較好的穩定性與可靠性。為了滿足這些需求,渦輪導向葉片的制造技術也得到了快速提升。但是，因為受到材料自身特性的限制,使得渦輪導向葉片很難實現整體化制造,只能采用分段加工再拼裝的方法進行制造,從而降低了生產效率并且增大了制造難度。在實際的工作過程中,渦輪導向葉片會受到較大的離心力作用,因此要保證它們不會出現變形問題。如果想解決這一問題，就可以利用焊接技術,將導向葉片固定在一起形成一個完整的結構體。目前,我國主要應用的是釬焊技術來完成這項任務,通過該技術可以有效地提高葉片的強度以及剛度,同時還具有良好的密封效果。然而,由于渦輪導向葉片所承受的溫度較高,所以對其表面質量提出了更高的要求。傳統的釬焊技術無法滿足這樣的條件,需要不斷創新和完善才能夠適應現代工業發展的趨勢。為了進一步提升葉片的性能,人們開始研究新型的釬焊材料,例如，鎳基、鈷基等。這些新材料能夠很好地滿足高溫環境下使用的需求,但是也存在一些不足之處。例如,鎳基合金熔點相對較低,容易被氧化。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

（1）試樣。采用純相法制備了不同含量的Al2ZnAl-CuSuO4 和AlNbFeNiCrMoWTi 合金粉末；其中：Al2ZnAl-CuSuO4 為純相合金粉；AlNbFeNiCrMoWTi 為摻雜相合金粉。

（2）原材料。主要有鈦合金、鋁合金、鎂合金、銅合金等。

（3）試驗設備。X 射線熒光光譜儀（日本日立公司）；電子萬能試驗機（北京中科華興儀器儀表有限公司）；掃描電鏡（德國蔡司）；透射電子顯微鏡（荷蘭FEI 公司）及能譜分析系統（美國Micromeritics 公司）。

2.2 試驗方法

為了研究工藝對葉片真空釬焊接頭質量的影響，采用上述設計的工藝進行葉片真空釬焊試驗。具體過程如下：將葉片試樣固定在工裝上，通過夾具定位后放入真空爐內抽真空至0.095MPa 左右；隨后向爐內通入氬氣并調節壓力至3.8kN,保持該狀態保溫140℃4h 以上；最后關閉電源,待爐體內溫度降至室溫時取出試件即可。整個釬焊過程中,均使用高純度Ar 作為保護氣體,以避免空氣污染和其他雜質進入釬料層。

在進行釬焊時，首先用酒精清洗葉片表面油污、氧化物等雜物,然后利用超聲波清洗機去除葉片表面殘留的油脂及氧化膜,再用無水乙醇擦拭干凈,接著置于60℃烘箱干燥備用。還需要注意以下幾點內容。第一，要保證所用的鎢極板厚度滿足要求，同時還要盡量減小焊接時間；第二，在焊接過程中，要確保釬焊部位沒有裂紋。第三，在進行焊接作業時，應該先對底面進行清理，然后再用丙酮溶液清洗，這樣才能有效避免由于底面氧化導致底面產生裂痕而影響后續焊接質量；第四，在焊接結束后，應及時對焊接接頭處進行打磨處理，使得焊接接頭更加平整光滑；第五，在進行焊接操作前，應對焊接物料進行稱重，以免發生焊接變形問題，進而降低焊接成本。

3 試驗結果和分析

3.1 釬料潤濕性和填縫性

由于釬料是一種特殊物質，在釬焊過程中其自身所含有的化學成分以及結構都會對釬焊質量產生直接影響。因此，釬焊材料必須具備良好的潤濕性，才能保證釬縫處具有較好的密封效果；而且釬料本身就具備一定的黏性能夠使得釬縫更好地貼合于基體上。但是如果釬料不具備良好的潤濕性或者存在較大的縫隙，則無法有效地將待焊件與基體緊密結合，進而導致釬焊接頭處出現氣孔或裂紋等問題。為了解決上述問題，可以采用一些輔助手段來改善釬料的潤濕性。例如，通過添加適量的稀釋劑、活性元素(如Cu)等方法來降低釬料熔點并提高其流動性，從而達到改善釬料潤濕性的目的；也可利用合金化技術來改變釬料內部組織結構，以增強釬料的抗熱裂能力。本文選用Ag 作為釬料的活性元素，同時加入少量Ni 進行合金化處理，這樣既能夠增加釬料強度又能減少釬料熔點（圖1）。

圖1 渦輪導向器與工作葉輪

3.2 釬焊接頭力學性能

為了驗證該工藝對葉片進行真空釬焊時是否能夠滿足強度要求，需要通過試驗來確定。在此過程中，首先要保證釬料具有足夠高的熔化溫度，并且其與母材之間有較好的潤濕性。因此，本文采用AlSi10Mg、Zn5Cu4Nb7 兩種合金作為主要釬料，分別制備了不同工藝條件下的葉片試樣，隨著釬焊溫度升高，葉片的屈服強度略有降低。這可能是因為高溫會使釬料熔化，導致釬縫中存在氣孔缺陷，影響材料的致密性，進而造成材料強度下降。此外，釬焊過程中產生的熱量還會促進釬料向母材擴散，進一步改善釬縫質量，所以認為當釬焊溫度控制在140℃時較為合理。

3.3 焊縫微觀組織分析

為了進一步驗證上述結論，對采用不同工藝焊接后的試件進行了金相觀察，在相同壓力下，隨著釬焊溫度升高、保溫時間延長，葉片釬焊層中晶粒尺寸逐漸變小；但是當釬焊溫度過高時(140℃)，會導致部分晶粒發生異常長大。

4 渦輪導向葉片真空釬焊關鍵工藝

在對渦輪導向葉片進行真空釬焊過程中，主要包括以下幾道工序：首先，是將葉片與芯軸分離；其次，是對葉片進行清洗、烘干處理；再次，是利用釬料潤濕葉片表面并填充間隙；最后，是采用抽真空方式去除葉片內部殘余氣體和雜質，使得葉片能夠處于良好的焊接環境當中，從而實現對葉片的真空釬焊。最后，就是采用釬焊方法完成焊接工作。由于渦輪導向葉片具有較高的溫度和壓力，所以必須保證釬料能夠充分熔化并填滿間隙。同時，還要控制好釬焊時間以及溫度等因素，以確保最終得到優質的產品。另外，為了提高渦輪導向葉片的使用壽命，需要對葉片采取相應的保護措施，如涂覆抗氧化劑等。在實際生產過程中，通常會選用鎳基或鈷基合金作為釬料來制作渦輪導向葉片。在實際生產中，通常會選用Cu 基或Al 基作為主體金屬材料來制作葉片，這兩種合金都具備一定的耐高溫性，可以有效地延長葉片的使用壽命。但是這兩種合金都存在一定缺陷，即容易氧化且成本相對較高，因此可以選擇鈦基合金來代替上述兩種材料。由于鈦基具有良好的抗腐蝕性能、低密度及高熱導率等特點，因此被廣泛應用到航空工業中。

此外，還有一種新型的釬料——納米陶瓷顆粒增強鋁基復合釬料(Nano ceramic particles reinforced aluminum alloy)也開始逐漸受到人們的重視。該釬料不僅能夠提高焊接接頭的強度和硬度，而且其導熱系數非常小，從而使得熱量更加集中，降低了對周圍環境溫度的影響，同時還減少了釬焊過程中產生的有害氣體，避免了污染物排放量過大所造成的環境污染問題。

5 渦輪導向葉片真空釬焊優化方向

在保證焊接質量的前提下，盡量降低釬料熔化溫度。由于葉片材料為鎳基高溫合金，對釬料提出了更高要求：一方面，需要有良好的流動性和潤濕性能；另一方面，要具有較低的熔點、沸點及熱導率等特性。因此，采用傳統的Ni60A 釬料無法滿足葉片制造需求，需開發新的釬料體系以適應渦輪導向葉片的制造。目前國內外已經研制出多種新型釬料，如Sn78Cu9Be(TM)2 釬料、ZrB2釬料以及Incoloy 135 Cu 釬料等。但是，這些新型釬料均存在一些不足之處，例如，價格昂貴、生產成本高、使用壽命短等問題。而且，上述釬料都屬于難熔金屬，難以實現大尺寸零件的精密加工。此外，國外還沒有針對渦輪導向葉片進行過相關研究報道。在實際生產中，對該工序的焊接參數也有一定的要求，所以要想保證焊縫質量要根據具體情況進行調整。

此外，由于受到多種因素的影響會導致最終的焊接效果存在較大的差異性，因此在設計方案時，要充分考慮這些問題，從多方面入手來提升整體的焊接效果。首先，應該對材料力學特性進行全面的了解。這種方法主要是針對金屬材料本身所具有的特點而言的，只有掌握好材料力學特性，才能有效避免出現裂紋現象，同時還※要考慮材料自身的彈性模量以及硬度等方面，這樣才能夠使得整個焊接過程中不會出現過大或者過小等問題。

6 結語

綜上所述，通過對渦輪導向葉進行真空釬焊技術改造后，可以有效地提高其焊接質量與性能。但是，由于該方法存在一定缺陷和不足之處需要進一步完善。首先，是在加工過程中要保證釬料的均勻性以及焊縫金屬成分的一致性；其次，就是要注意控制釬料的熔點、冷卻速度及保溫時間等參數的合理性；最后，還需注意在釬焊過程中應防止出現裂紋現象或熱影響區。