马氏体不锈钢与铝青铜封严环真空钎焊工艺

石素霞，左 谋，刘雪丽，杨春蓉

中国航发航空科技股份有限公司，四川 成都 610503

0 前言

钎焊技术广泛应用于航空发动机结构、航空仪表及第二动力组合件的连接，已成为发动机构件制造的关键技术。采用真空钎焊对零件进行整体加热，其热应力小、工件变形小且工艺参数控制准确、产品质量稳定，特别适合焊接复杂、多零件组合实现大面积区域的连接［1］。与其他焊接方法相比，真空钎焊焊接接头性能良好，焊缝质量稳定，利于异种材料的焊接，常用于航空发动机静子组件、燃油总管和封严结构等零部件的焊接。

目前，铜与不锈钢、高温合金的焊接方式主要是钎焊，钎料多采用镍基钎料、银基钎料、铜基钎料等。敖斌等人［2］对某型低压涡轮外环的钎焊工艺进行了研究，结果表明钎焊温度在1 170～1 180℃时，Ni-Co基钎料对GH4648和GH3030有良好的润湿和铺展性能，可获得良好的焊接接头。林茂广等人［3］采用BAg72Cu钎料真空钎焊奥氏体不锈钢与纯铜，在865℃保温10 min时可以获得优良的钎焊接头，剪切强度可达160 MPa。林发仙等人［4］研究了B19白铜和GH4169组成的封严篦齿环真空钎焊工艺，采用金属箔带状钎料B-Cu35NiMnCoFe（B，P）-S钎焊线膨胀系数差异较大的材料构成的零件，钎着率可达80%。

某航空发动机的封严环是由铝青铜（QAl7）和马氏体不锈钢（1Cr17Ni2）采用HBAg72CuNiLi钎料通过真空钎焊连接而成。该封严环为异种材料组成的环形结构件，属于可磨耗封严环类零件，用于发动机高压涡轮轴承的封严，要求具备良好的耐磨性和封严性，铜环内侧加工有齿槽。前期科研试制钎焊时铜环和不锈钢安装边为过盈配合，钎焊后采用X射线检查钎焊内部质量，大部分零件在试车过程中存在铜环脱焊现象，严重制约了研制进度。为提高钎焊质量，获得合格零件，文中针对该封严环技术难点进行工艺分析，确定了钎焊参数、钎焊工装、钎焊工艺路线和检测方法，保证零件钎着率达到80%。该研究可为类似零件的真空钎焊工艺设计提供参考和借鉴。

1 工艺技术难点

封严环零件结构如图1所示，中间凹槽部分宽度为7 mm，钎焊后凹槽部分被加工成孔。不锈钢焊接处厚度7 mm。

图1 零件结构示意Fig.1 Sketch of the seal ring

1.1 材料焊接性

QAl7和1Cr17Ni2是两种完全不同的合金，化学成分和性能差异较大加大了其真空钎焊的难度。QAl7的化学成分和物理性能如表1所示，铜环是由QAl7带材通过弯曲、氩弧焊和成型加工而成的环状零件，钎焊时铜环厚度3 mm，刚性较差。1Cr17Ni2化学成分如表2所示。安装边由淬回火态的1Cr17Ni2锻件加工而成。QAl7的铝含量高达6%～8%，在高温钎焊过程中表面容易形成氧化铝，导致钎料润湿性差，从而增加了钎焊难度。

表1 QAl7化学成分（质量分数，%）及机械性能Table 1 Chemical composition(wt.%)and mechanical properties of QAl7

表2 1Cr17Ni2化学成分（质量分数，%）Table 2 Chemical composition of 1Cr17Ni2(wt.%)

1.2 钎焊间隙

通常同种金属材料或者线膨胀系数相近的异种材料钎焊时，钎焊间隙可以根据钎料种类和母材确定，因此室温下确定的间隙即为钎焊间隙。封严环零件由1Cr17Ni2及QAl7两种异种材料组成，两种金属在钎焊温度下的热膨胀量存在差异，在25～300℃时，QAl7的线膨胀系数是19.4×10-6/℃，1Cr17Ni2在不同温度下的线膨胀系数如表3所示［5］。因此钎焊时会导致间隙发生变化［6］，在室温下难以确定合适的钎焊间隙。

表3 不同温度下1Cr17Ni2的线膨胀系数Table 3 Linear expansion coefficient of 1Cr17Ni2 at different tem‐peratures

此外，QAl7为板材加工成环形件，其刚度差、椭圆度大，这也是焊接间隙难以保证的原因之一。

1.3 冷却过程

钎焊完成后，在冷却阶段，由于两种材料的收缩速度不一致，铝青铜QAl7收缩快，不锈钢1Cr17Ni2收缩较慢，在内应力的作用下易导致钎焊缝开裂。同时，由于钎焊面积较大（S≈164×3.14×38=19 568 mm2），易出现空穴、未焊合等缺陷。

2 工艺分析

2.1 钎料的选用及其预置

选用HBAg72CuNiLi作为钎料。银铜钎料钎焊不锈钢时，母材表面镀镍可提高银铜钎料的润湿性和铺展能力［5］；银铜钎料钎焊铝青铜时，在铝青铜上镀银既可防止母材中的Al向钎料扩散，也可防止钎焊时发生氧化，减少表面氧化物的产生。HBAg72 CuNiLi的化学成分和基本性能如表4所示。

表4HBAg72CuNiLi钎料化学成分（质量分数，%）和基本性能Table 2 Composition（wt.%）and basic properties of solder metal

HBAg72CuNiLi钎料熔化温度为766℃，Li元素具有自钎作用，可用于钎焊铜合金和不锈钢。零件结构为环形体，钎焊时采用厚度0.06 mm的箔带状钎料和直径1 mm的丝状钎料。由于铜环导电性良好，且待焊面进行了镀银处理，储能点焊时无法定位钎料，在装配过程中容易出现钎料脱落，因而预置钎料时，选择在不锈钢安装边内圆一侧储能点焊两层钎料，并且在安装边的凹槽里放置两圈丝状钎料作为补充。整个搭接面上均匀覆盖钎料，以减少未焊合、空穴等缺陷，提高钎焊质量。

2.2 钎焊间隙的确定

钎焊间隙是影响钎焊质量和接头性能的关键因素，在合适的钎焊间隙下，熔化的钎料通过毛细作用填充焊缝，间隙过大或过小都会影响毛细作用进而影响钎焊质量［8］。零件由铝青铜和不锈钢组成，两种材料线膨胀系数差异较大，因此需考虑钎焊温度下热膨胀系数差异造成的间隙变化，同时考虑零件尺寸、钎料流动性、钎料与母材反应强烈程度、零件装炉摆放位置等因素来确定室温时的钎焊间隙。

钎焊温度下，铝青铜比不锈钢膨胀更快，如果室温下预留的钎焊间隙为0.05～0.1 mm时，钎焊时间隙可能会变为0，导致没有熔融金属无法填充间隙，无法形成有效钎缝，因此需要增加室温下的钎焊间隙；但是间隙增加过大又会造成钎缝内形成较多的空穴，降低零件质量。选用的HBAg72CuNiLi钎料流动性良好［7］，为共晶钎料，结晶温度间隔小，间隙较小有利于获得质量良好的钎焊接头，考虑到零件入炉时垂直摆放的特点，初步确定钎焊间隙为0.18～0.20 mm。

2.3 钎焊工装

为了防止钎焊收缩过程中焊缝开裂，钎焊时增加钎焊工装，工装示意如图2所示。工装材料为1Cr17Ni2，单边厚度约为25 mm。钎焊时，零件套在工装上，在收缩过程中工装的热量减缓了铜环的收缩速度，从而降低焊缝开裂的可能性，同时工装也可以撑圆铜环，减少焊后铜环的变形。为避免工装与零件连接，在工装表面喷涂氧化铝涂层。

图2 封严环钎焊工装Fig.2 Seal ring Vacuum brazing equipment

3 钎焊工艺试验

3.1 模拟件制备

将零件结构进行简化，模拟成环状结构，高度与零件保持一致。加工1件1Cr17Ni2钢环和1件QAl7铜环，模拟件的厚度、直径和材料状态与零件保持一致。铜环外圆进行车加工时，与钢环内径实测尺寸配车保证钎焊间隙为0.18～0.20 mm。车削加工铜环内外圆时，采用一次装夹方式和小进给量，从而减小铜环的变形，保证零件圆度。

对模拟件钎焊面进行清洗，用蘸有酒精的脱脂棉擦拭干净后再进行预处理，在钢环内圆表面进行镀镍，铜环外圆表面进行镀银，镀层厚度控制在0.03～0.05 mm，完成后将零件用牛皮纸包起来，防止油污、杂质污染零件。

预置钎料前，用酒精清洗箔带状钎料的正反两面，去除钎料表面的粉尘、油污等杂物。在钢环内圆面通过储能点焊预置2层非晶体箔带状HBAg72 CuNiLi钎料，预置钎料的过程中应戴上干净的棉纱手套，防止对钎料和零件造成二次污染。装配完成后，用三坐标检测铜环和钢环的同心度，检测结果为0.02 mm，表明同心度良好，未出现因装配偏差造成的钎焊间隙不均匀。

3.2 模拟件钎焊

模拟件与工装一起入炉钎焊，钎焊前用塞尺检测钎焊间隙，确保符合工艺要求。采用意大利进口TPVH 100/100真空炉进行钎焊，有效区域炉温均匀性不大于±10℃，真空钎焊炉如图3所示，符合GJB509Ⅲ类炉子的要求。

图3 真空钎焊炉Fig.3 Vacuum brazing furnace

钎焊参数如下：先预抽真空至炉内压强低于2×10-2Pa，真空度达到后开始升温，升温至700℃后，充氩气分压3～20 Pa，保温3～7 min，升温至870℃，保温8～12 min，随炉降温至700℃以下后，向炉内回充氩气至0.08～0.1 MPa，待炉温降至100℃以下后出炉。

3.3 焊后检验

3.3.1 外观检查

出炉后的零件如图4所示，按Ⅱ级焊缝要求对模拟件进行外观质量检查，钎料熔化充分、圆根饱满，焊缝和母材均未发现裂纹、空穴、未焊合等缺陷，零件外观呈现光亮的金属色，无氧化，填充效果良好。符合HB7575-97中对Ⅱ级焊缝的质量要求。

图4 零件外观Fig.4 Product appearance

3.3.2 水浸超声波探伤

受零件结构限制和灵敏度等原因，X光射线检测无法准确发现钎焊缝内部未焊合、夹渣等缺陷，故采用灵敏度较高的水浸超声波探伤检测。

超声波设备型号为LS-200，探头频率10 MHz，采用纵波水浸法垂直入射C扫描检测技术进行检测。先对校验标准件进行检验，在校验标准件上钻孔，人为制造缺陷模拟焊接缺陷，校验标准件的成分、组织状态、结构、焊接材料和焊接工艺与受检件相同。校验标准件的检测结果如图5所示，模拟件检测结果如图6所示。由图6可知，钎焊面积大于90%，远高于技术文件规定的80%。

图5 标准件检测结果Fig.5 Standard test result

图6 模拟件检测结果Fig.6 Simulated part test result

3.3.3 金相检测

为进一步检测钎焊缝内部质量，同时也为验证水浸超声波探伤的可靠性，对模拟件进行金相检查。采用“米”字型破坏，对称切取零件，该方法可以全面观测零件钎焊缝的内部质量。此次金相取样18件，上下对称，取样较多，能全面地反映焊缝内部质量。金相检测结果如图7、图8所示。

图7 上端焊缝金相组织Fig.7 Metallographic figure of upper edge brazing joint

由图7、图8可知，接头组织由钎缝区和两侧界面反应区组成，钎料与母材冶金作用充分，钎料完全填充焊缝，未发现空穴、缩孔、裂纹、夹渣等内部缺陷，钎焊质量符合HB7575中Ⅱ级焊缝的要求，表明Ag-Cu钎料在钎焊过程中表现出了良好的润湿性和铺展性。铜侧银层已消失，银元素沿晶界渗入铜组织，不锈钢侧焊缝镍层和焊缝中的镍元素扩散入不锈钢的组织内，扩散厚度约为0.015～0.020 mm，钎焊缝组织接近共晶组织。金相图显示钎缝宽度为0.03～0.1 mm，表明设置的钎焊间隙比较合理，能获得良好的焊缝。钎焊温度下，二者由于线膨胀系数差异造成钎焊间隙减小，最终形成满意的钎焊接头。

图8 下端焊缝金相组织Fig.8 Metallographic figure of bottom edge brazing joint

4 工艺生产及应用

由模拟件可知，采用改进后的钎焊工艺能够获得良好的钎焊接头。室温下，需要增加钎焊间隙来弥补钎焊温度下膨胀量造成的间隙缩小，才能获得满意的钎焊质量，而且金相检测结果从另一方面验证了水浸超声波探伤的正确性，可以用来检测钎焊内部缺陷。通过上述工艺试验确定了封严环钎焊工艺路线为：车加工—清洗—预处理（镀银、镀镍）—预置钎料—装配—真空钎焊—车端面—外观检验—水浸超声波检查。

按照此工艺钎焊的零件通过发动机试车考核，后续零件再未发生钎焊缝开裂或铜环脱焊的问题，表明优化钎焊工艺后的零件质量良好，满足试车和后续使用要求，推进了型号研制进程。

5 结论

（1）采用钎料HBAg72CuNiLi钎焊由铝青铜QAl7和不锈钢1Cr17Ni2异种材料组成的封严环时，室温下预留钎焊间隙为0.18～0.20 mm，可以获得良好的钎焊质量。

（2）研究确定的钎焊温度870℃，保温8～12 min等钎焊参数、环形钎焊工装和车加工—清洗—预处理（镀银、镀镍）—预置钎料—装配—真空钎焊—车端面—外观检验—水浸超声波检查的钎焊工艺路线可以明显提高封严环的钎焊质量，满足某航空发动机封严环真空钎焊的要求。

（3）水浸超声波探伤可以检测钎缝内部的缺陷，检测结果与金相检测结果一致，钎焊铝青铜和不锈钢组成的封严环类零件时，可采用此方法检测钎焊质量。