镍基高温合金的扩散连接

第6章镍基高温合金的扩散连接太原理工大学

王文先

E-mail：wwx960@126.com

PPT制作：***本章结构知识要点

掌握程度相关内容镍基高温合金的特点、焊接性了解典型高温合金的成分和分类，熟悉镍基高温合金的焊接性问题。高温合金定义、高温合金的工作温度及分类、典型高温合金成分、镍基高温合金的焊接性问题。高温合金的直接与加中间层的扩散连接熟悉工艺参数、表面加工状态对直接扩散接头性能影响，熟悉固相与液相两种连接方法的影响因素。扩散连接工艺参数的选择及对性能影响、表面加工状态与性能关系、高温持久强度定义、固相扩散连接性能影响因素、液相扩散连接性能影响因素。定向凝固与单晶高温合金的连接了解定向凝固合金及单晶高温合金的的种类、接头组织和高温持久强度等特点。定向凝固高温合金介绍、定向凝固合金的过渡液相连接、单晶高温合金的分类及其组织、单晶高温合金持久强度。概述

高温合金也称耐热合金，在高温下具有较高的力学性能、抗氧化和抗腐蚀性能。

镍基高温合金的热强性好、变形阻力大，扩散连接时要实现可靠的物理接触。必须提高连接温度或增大连接压力(Ni本身为立方晶格，原子排列密集，自由扩散能力差)。特别是镍基高温合金表面含有Ti和Al的氧化膜，而且Ni在高温下也容易生成NiO，这些氧化膜性能都比较稳定，增加了扩散连接的难度。主要内容6.1镍基高温合金的特点6.2高温合金的直接扩散连接6.3高温合金加中间层的扩散连接6.4定向凝固和单晶高温合金的连接6.5镍基高温合金扩散连接实例6.1镍基高温合金的特点一、典型高温合金的成分及分类图6-1高温合金的分类图6-2高温合金及其制备工艺的发展

高温合金的发展与新工艺的应用密切相关。

由图6-2可知，20世纪60年代开发出真空冶金方法后，铸造高温合金得到了迅速发展，达到40余种，合金元素多达十余种，强化ɤ相可达体积60%以上。70年代，定向及单晶铸造合金技术取得重大突破，研制出一批以DSMM200为代表的高温合金。80年代所开发的PWA1484的工作温度又有提高。

通常把合金元素质量分数大于25%的合金称为超合金。当铝和钛的质量分数总量小于8%时，铝和钛可以用钽、铌代替。高温合金中一般都添加钴、铁钼钨钒等奥氏体形成元素。表6-4典型高温合金成分（质量分数）%二、镍基高温合金简介

镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH”加序号表示。镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。镍基高温合金GH132、GH3039等

镍基高温合金是镍的质量分数大于50%的高温合金，一般以镍、铬固溶体为基体添加多种合金元素，如钙、钼、铝、钛、铌、钴、钽及微量硼、锆等。镍基合金为面心立方点阵的固溶体。镍的主要物理和机械性能如表6-1。表6-1镍的主要物理和机械性能

组织特点：

主要的强化相：γ´(Ni3Al)相，含量达20%～55%左右。

另一类强化相：γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下对强度的贡献远大于γ´相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料中有名的强化相。三、Ni基高温合金焊接时存在的问题（1）强化型合金焊接时易产生热裂纹。因加热过程中析出金属间化合物和碳化物，使基体和晶界强化，用电子束焊接时也有裂纹产生。包括焊缝热裂纹、HAZ液化裂纹和再热裂纹。（2）高温合金的热强性好、变形阻力大，扩散连接时要实现可靠的物理接触，必须要达到一定的塑性变形，应提高连接温度或增加连接压力（Ni本身为立方晶格，原子排列密集，自由扩散能力差）。（3）高温合金表面含有Al、Ti的氧化膜，而且Ni在高温下也容易生成NiO，这些氧化膜性能都比较稳定，难以去除。由于高温合金的氧化膜在扩散连接时以向母材溶解为主要破碎形式，使扩散连接困难。（4）连接或焊接接头难以得到和母材同样的组织。由于直接焊接时难以去除氧化膜，一般采用夹层材料进行连接，很难得到与母材相同、含有γ’相析出的强化组织。6.2高温合金的直接扩散连接一、工艺参数的影响

经过磨光、清洗的表面，可在真空中直接结合，图6-3是GH44Ni基高温合金工艺参数对接头力学性能的影响（δ为延伸率，ε为变形率，σb为抗拉强度）。其连接温度范围为1173K~1473K，连接压力5~25MPa，连接时间为10~30min，真空度为1.33×10-2Pa。从图中可知，随着温度压力和时间的增加，接头性能逐渐提高。图6-3扩散连接参数对接头性能的影响（GH44）二、表面加工状态对接头性能的影响

高温合金的扩散连接接头性能和界面的表面状态有关，表面粗糙度越大，获得可靠接头所需的温度越高或压力越大。

图6-4显示出的表面加工状态（精车加工和抛光加工）和接头性能的关系，连接母材为GH44，连接条件为T=1448K，p=20Mpa。图6-4断面收缩率、抗弯曲强度与加热时间的关系

实线为精车削加工表面，虚线为精磨削加工表面。由图知，表面光洁度越高，同样接合条件下接头性能更好，接头的横向膨胀率越大，接头力学性能越好。三、接头的高温持久强度

在确定的温度和时间下，不破坏的最大应力称为高温持久强度。

图6-5是CrNi80WBAl和CrNi80WBAl的持久强度试验结果，试件(a)经过1273K、2h和1723K、20h保温处理，在973K下进行持久强度实验，得到12000h的持久强度为160MPa左右。试件(b)的保温处理条件是1453K、1h和1073K、12h，实验温度1073K、30000h的持久强度可达176MPa。图6-5高温合金及接头的持久强度6.3高温合金加中间层的扩散连接

一、固相扩散连接 1.中间层对接头室温强度的影响

镍基合金在扩散连接时，为实现良好的接触和提高接头性能，常在接合界面处添加中间层材料。实验证明，中间层厚度对接头性能也有影响。

图6-6为不同连接工艺规范下的接头强度与中间层相对厚度的关系，其中连接压力为20Mpa，连接时间为15min，X为中间层的相对厚度(中间层绝对厚度和试件直径的比值)。图6-6接头强度与中间层相对厚度的关系

断口分析发现： ①连接温度1323K时，接头在界面破坏，局部没有很好地接触，有机械加工的痕迹； ②1363K时，破断发生在母材上，中间层有很大的塑形变形，因此x=0.05可以认为是临界值。x<0.05时，脆性破断发生在界面，焊接区物理接触不良； ③连接温度达到1403K时，由于高温减小了材料的变形阻力，只有x<0.02时才出现脆性破坏，接头强度高。

如图6-6(b)所示，当连接压力提高到40MPa时，所有温度下各种厚度的中间层都提高了接头强度，说明连接过程中物理接触变好，在X=0.02~0.05范围内，断裂均在母材上发生。由此说明：中间层厚度小时由于变形阻力大，表面物理接触不良，接头性能不好；厚度过大时，软中间层承受了所有的应力，也使接头性能降低。

2.中间层对接头高温强度的影响

高温合金接头主要工作于高温环境，高温性能的好坏是评价接头性能的主要指标，与选用的中间层成分和厚度有关。

如图6.7所示，采用

Ni80-Co20合金中间层，镍基合金为ЖC6K，扩散连接规范为T=1393K，p=30MPa，t=20min。图6-7中间层相对厚度与抗拉强度的关系

当X=0.2时，1173K的高温强度仍然可以达到400MPa，可得到较好的高温性能及扩大了中间层厚度的范围。

中间层成分对接头高温持久强度有很大影响，采用纯Ni中间层连接ЖC6K镍基合金，由于Al、Ti的扩散，接头区出现了粗大的γ’相，接头性能明显变脆，p=50MPa、T=1073K，接头只能持续10min,而不加中间层的接头持续时间可达100h以上。图6-7中间层相对厚度与抗拉强度的关系中间层厚度对接头抗拉强度的影响如图6.7所示。①x<0.2时，接头的σb随x的增大而上升②x>0.2时，接头的σb随x的增大反而下降。而且此规律与实验温度无关。3.中间层相对厚度对接头力学性能的影响图6-8中间层相对厚度与抗拉强度的关系中间层的尺寸和成分对接头脆性有很大的影响。用Ni作中间层，ЖC6K合金接头的冲击韧性与相对厚度x的关系如图6-8所示。如取x很小时，接头呈脆性破坏，韧性很差。二、液相扩散连接

液相扩散连接是高温合金最常采用的一种连接方法，通过选择B、P、C、Si、Ti、Al等元素活化表面和降低连接温度，实现等温凝固和成分均匀化，得到与母材基本相同的组织成分。同时，可以得到变形小、强度高的接头。 1.主要工艺参数 (1)压力：一般选0～0.007MPa，主要是为了保持工件配合面的良好接触。 (2)温度和时间：如果要求等强匹配、且不影响母材性能，则应采用较高的T≧1423K，t=8～24h；否则，T=1373～1423K，t=1～8h。 (3)中间层：液相扩散连接的中间层除了具有固相扩散要求外，还要求液相凝固和均质化时间尽量短；能适应当地溶解母材表面，破坏氧化膜；不生成有害相，以免韧性降低。 2.接头力学性能

连接工艺参数(温度、时间、压力)对接头的持续高温强度有很大影响。

图6-9为连续温度、压力对持久强度的影响。连接材料为GH44合金，采用Ni-Cr-Pd中间层，连接压力范围5～10MPa，连接温度分别为1398K、1423K和1448K，连接时间20min。拉伸实验温度1173K。拉伸载荷分别为15MPa和40MPa。从图中可知，连接温度高的对接头，高温持久性能好。图6-9连接温度及压力持久强度对接头性能的影响

提高接头的高温性能一般采取两种途径，一是希望接头得到与母材相同的组织成分，二是在母材或中间层中添加Mo、Nb等合金元素。

图6-10是三种高温合金接头强度与实验温度的关系。从图中可知，虽然材料Ⅰ和Ⅱ的连接时间长，但接头高温性能不如材料Ⅲ高。图6-10连接温度及压力持久强度对接头性能的影响材料Ⅰ为22Cr–18.4Fe–1.6Co–8.6Mo–Ni基，T=1403K，t=10h。材料Ⅱ为19.8Cr–0.42Ti–0.36Al–0.1Fe–0.5Y2O3–Ni基，T=1573K，t=10h。

材料Ⅲ为14Cr–6Al–1Ti–4.5Mc–2Nl–Ni基，T=1366K，t=4h。6.4定向凝固和单晶高温合金的连接

定向凝固和单晶高温合金的原理及应用：

所谓定向凝固，就是高温合金熔体在铸型中凝固时，通过一定控制，生成几乎相互平行的柱状晶。如果叶片经过定向凝同，其结晶方向与叶片所受应力平行，那么这时叶片受力或耐温的能力就大大提高。

定向凝固合金和单晶高温合金是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。定向凝固和单晶高温合金的原理及应用：

定向凝固高温合金和单晶合金的成分复杂，特别是γ相形成元素Al和Ti的含量高，连接性能不好。熔焊时很难避免热裂纹产生，钎焊时接头强度往往受钎料成分及熔点的限制而很难达到要求，直接扩散连接时这些材料的接触界面难以变形，压力需达到100Mpa以上。故，最适合的方法是采用液相扩散连接。一、定向凝固高温合金的过渡液相扩散连接 (1)保温时间对接头组织的影响

采用0.04mm厚的3.0％～5.0％的B无Al、Ti非晶态箔带对DZ22定向凝固高温合金进行液相扩散连接，T=1383K，t分别为4h、24h、36h三种。随着连接时间的增长，接头成分和组织逐渐趋于均匀化。①保温时间4h：γ+γ’基体（类似母材）、白色块状的硼化物、近缝区的条状和针状硼化物和高W、Cr小白块组织。②保温时间24h：硼化物减少、带棱角块状组织变为平滑团块状。③保温时间36h：接头几乎全为单一γ+γ’基体（与母材基体无明显界限）、残留的极少硼化物小白块。成分含量基本与母材相当。图6-11MA754接头的高温特性

定向结晶的高温合金，母材及接头有一定的方向性，沿结晶方向强度高，而与晶粒垂直方向的强度较低。

图6-11是定向凝固MA754镍基合金接头的高温强度与断裂时间的关系。L为沿结晶方向的抗拉强度、T为垂直结晶方向的抗拉强度。二、单晶高温合金的液相扩散连接 1.单晶高温合金的种类

随着单晶高温合金发展，如书中表6-6列出其主要的种类及成分可以看出：随着合金的发展，含Cr量不断降低，而难溶元素W+Mo+Ta+Nb+Re含量提高，Ta和Re的增加补偿了Cr含量降低造成的耐温性能降低，而Re和Ru在提高合金高温持久性能方面影响显著。如表6-7、图6-12所示。表6-7Re对单晶高温合金高温持久性能的影响图6-12MA754接头的高温特性Re含量由0增加到6％，抗高温能力增加了约60Mpa；Re含量由3％增加到6％，疲劳性能高出2～3倍。

经分析，80％的Re分布于γ相中，并强化了γ相。但该元素强烈偏析于枝干中，因不易扩散而增加了固溶热处理时成分均匀化的难度。第四代高温合金新添加了Ru元素，由于Ru是很弱的偏析元素，它在γ和γ’相的分配比约为0.7，有利于提高1373K的高温持久性能。

2.接头组织

单晶高温合金扩散连接时，中间层材料不应含有

Ni、Cr、B、Si等杂质元素。常采用可形成γ(Ni)+Ni5Zr共晶体的Zr元素。利用此研制出了成分与母材匹配的含Zr的中间层合金(10Co–8Cr–4W–13Zr–Ni基)。

扩散连接实验采用DD3单晶合金母材为树枝状晶体。由于扩散时间比较短，成分没有达到均匀化，接头呈现出典型的钎焊组织形貌。

相同接合条件下的接头，在1543K温度下等温凝固2h，元素充分扩散，后随炉冷却。

此时接头中的熔化层由等温凝固层和冷却时形成的共晶层组成。熔化层宽度基本不变，可知保温时间超过15min后，母材不继续溶解，但对液相与母材之间的相互扩散起了很大作用，促进等温凝固。

该液相在冷却过程中，1493K时析出花纹状的γ+γ’共晶体，1423K时蜂窝状的γ+Ni5Zr共晶体析出。 3.接头的高温持久性能

液相扩散连接DD6单晶合金的成分为4.3Cr–9Co–2Mo–8W–7.5Ta–0.5Nb–5.6Al–0.1Hf–Ni基，粉状中间层的主要成分与DD6相同，只是加入少量的B降低熔点。连接温度为1563K，等温凝固时间分别为12h和24h。

表6-8是接头的高温持久性能，由于很难获得微观组织与母材完全一致，故接头的高温性能比母材低。表6-8Re对单晶高温合金高温持久性能的影响

在1563K