K423合金钎焊接头组织性能与叶片修复

潘 晖，赵海生，张学军

（北京航空材料研究院焊接与塑性成形研究所，北京100095）

K423合金钎焊接头组织性能与叶片修复

潘 晖，赵海生，张学军

（北京航空材料研究院焊接与塑性成形研究所，北京100095）

为钎焊修复某型发动机高压Ⅱ级、低压Ⅰ级导向叶片服役后产生的裂纹，研究钎焊工艺对接头组织性能的影响及钎焊热循环对母材组织性能的影响。结果表明，最佳钎焊工艺为B工艺（1 200℃保温30 min），钎焊热循环使母材的组织细化，持久性能提高。采用B工艺及相应叶片钎焊修复流程对叶片进行试修复，修复部位无裂纹，工艺可行。

钎焊；叶片；修复；镍基高温合金

0 前言

涡轮导向叶片是发动机的关键部件，使用温度较高，随着航空发动机性能的提高，使用温度不断提高，叶片气冷结构更为复杂，叶片材料从变形合金发展至铸造高温合金，又从等轴晶发展至定向凝固合金及单晶，叶片造价越来越昂贵。叶片使用一个寿命后往往产生裂纹、烧蚀等缺陷而报废，对其进行修复，不仅可以节约大量资源，带来巨大的经济效益，同时可保证飞行器作战适用性。

叶片修复开始于20世纪50～60年代，20世纪70年代取得成功，20世纪80年代形成独立行业，20世纪90年代TLP、粉末冶金、热等静压等工艺用于叶片修复[1-5]。目前在原有修复技术得到发展的同时[6]，随着叶片冷却通道的复杂化、叶片本身钎焊缝增多，局部加热钎焊技术（如激光钎焊、电弧钎焊等）用于叶片补焊[7]，同时由于单晶叶片的使用，出现单晶叶片钎焊修复技术，研发出适用于新方法与新材料的新型不含硼、硅脆性化合物相的钎料[6]。

叶片修复主要难点是修复部位氧化膜去除与缺陷的焊接修复。氧化膜去除方法主要有氟化物反应去除方法和机械去除方法[8]。缺陷的焊接修复方法主要为钎焊修复和熔焊修复[4-5，9]。采用熔焊方法修复铝、钛含含量较高的铸造镍基高温合金，易产生焊缝及热影响区裂纹，因此往往用于叶尖等受力较小的部位[10]。

某发动机高压Ⅱ级、低压Ⅰ级导向叶片采用γ′相沉淀强化和钼、钴等元素固溶强化的镍基铸造高温合金[11]，铝钛总量7.3％～8.2％，可进行氩弧焊及电子束焊，但焊接性不佳，易产生裂纹及内应力，长期使用后产生裂纹。为稳定接头性能，减少叶片内应力及使用后产生裂纹，采用钎焊方法进行叶片的修复。叶片主要失效形式是：高压Ⅱ导叶片的排气边裂纹（靠近缘板部位）、低压Ⅰ导三联叶片的电子束连接处裂纹。

1 实验材料、设备和方法

实验母材为K423，其成分如表1所示。钎料采用钴基钎料，含有较高固溶强化元素Cr、W，主要降熔元素Si、B。合金粉为-200目含有Al、Ti镍基合金粉，主要固溶强化元素为Cr、Mo、W。钎焊设备为真空钎焊-扩散焊炉，其极限真空度优于1×10-3Pa，试验真空度优于1×10-2Pa，最高工作温度1 270℃～ 1 300℃。采用JSM-5600LV扫描电镜和INCA350X射线能谱仪进行组织分析。

表1 K423化学成分％

根据母材使用条件和钎料特性，采用的钎焊工艺分别为：A—1 200℃/30 min；B—1 200℃/60 min；C—1 200℃/120 min；D—1 200℃/240 min。

首先针对K423母材进行钎焊工艺对母材性能影响的研究，确定最佳修复工艺。采用机械方法去除氧化膜，钎焊修复工艺采用确定的最佳修复工艺，制定叶片修复流程，试修复叶片，并对修复叶片进行表面检测及微观组织分析。

2 钎焊工艺研究

2.1 钎焊接头组织分析

采用钴基钎料，填加镍基合金粉末，应用大间隙钎焊技术钎焊0.5mm大间隙接头，分析接头组织。

将合金粉末置于钎焊间隙内，钎料置于其上，钎焊温度下钎料熔化填充颗粒间隙，并与母材和金属颗粒相互作用，冷却后获得0.5 mm间隙K423试样钎焊接头组织如图1所示，各相成分如表2所示（由于B、C元素分析不准确未进行分析）。接头组织（见图1a）由钎缝、过渡层和母材组成，钎缝组织由合金粉颗粒和颗粒间相构成。由于钎料与合金粉颗粒间的相互作用、元素扩散，合金粉（见图1a、1c）为γ基体上分布的γ′相及小块状化合物（其成分见表2中的相1），γ′相形状不规则、大小不均匀，靠近化合物相处略粗大；颗粒间也是γ基体上分布的γ′相及块状化合物（其成分见表2中的相2）构成，但化合物相及γ′相较为粗大（见图1a、1c）。由表2可知，合金粉颗粒间及颗粒内的大、小化合物相均为高Cr、W、Mo的化合物相，由于钎料中的Cr、W含量高于合金粉，而钎料中不含Mo，因此颗粒间化合物相2的Cr、W含量高，同时由于钎焊温度下钎料与合金粉颗粒间元素相互作用与扩散，化合物相2中含有Mo，但少于合金粉颗粒内化合物相。钎焊温度下钎缝中B、C向母材扩散，形成过渡层（见图1b），过渡层中有较多硼化物针状相3，同时有块状碳化物MC相4。由于钎料中B、C元素与母材中含量差异较大，形成浓度差，且B、C原子小，易扩散，在过渡层析出条状高Cr、Mo的硼化合物相（见表2中的相3，由于针状相较小，成分分析漂移，Ni含量受基体影响含量偏高）和不规则块状碳化物MC（见表2中的相4），在部分MC化合物外围析出高Cr、Mo的硼化相包膜（见表2中的相5）。可见，钎焊接头已生成γ′相，由于合金粉的存在，化合物相呈小块状弥散分布，有利于钎焊接头性能的提高。

图1 钎焊试样接头组织

2.2 钎焊工艺对接头组织的影响

采用A、B、C、D四种钎焊工艺获得的对接接头组织如图2所示。由A工艺至C工艺，随着钎焊温度下保温时间延长，元素扩散充分；但到D工艺时，白色化合物聚集长大，此外由于元素迁移、空位扩散和聚集等，孔洞增加，同时由于硼、碳元素扩散在过渡层母材近缝区形成的针状相明显增多，对母材近缝区性能有影响。因此B、C工艺较为适宜。

表2 各相成分分析结果％

图2 钎焊接头组织

2.3 钎焊接头性能

对采用A、B、C、D四种钎焊工艺获得0.5 mm大间隙对接接头进行性能对比测试。850℃应力150MPa测试接头持久寿命（持久寿命大于32 h时应力增至180 MPa），试验结果如表3所示。可见B、C钎焊工艺获得接头性能较好，A工艺由于保温时间较短，钎料与母材作用不充分，因此接头性能不佳，而D工艺由于保温时间过长，性能下降，与2.2节钎焊工艺对接头组织分析结果相一致。综上分析，同时考虑到补焊，确定采用最佳钎焊工艺为B工艺。B钎焊工艺获得两种接头850℃拉伸性能如表4所示。

表3 不同钎焊工艺条件下接头持久寿命

表4 B工艺钎焊接头850℃高温拉伸性能

2.4 钎焊热循环对母材组织性能的影响

K423原始铸态组织呈明显的树枝晶形貌（见图3a、3b），枝晶杆中γ′相呈规则的立方块“田”字状均匀分布在γ固溶体基体上（见图3d），枝晶间的γ′相尺寸稍大，且形状不规则，边角圆滑（见图3c），晶间分布深色骨架状一次碳化物MC、少量灰色M23C6、（γ+γ′）共晶和微量M3B2（见图3a、3b、3c）。经过B工艺热循环后，与原始母材对比，母材仍呈枝晶形貌（见图3e），但组织趋于均匀化，一方面晶界化合物相减少（见图3a、3e对比），另一方面γ′相重溶并二次析出，立方状γ′相更加规则地分布在γ基体中，且组织均匀细小，数量也明显增多（见图3d、3f对比），由此认为较长的保温时间使母材组织均匀化，有利于消除枝晶间偏析，且组织更为均匀、细小，有助于母材性能的提高。

原始母材及热循环后母材的持久性能如表5所示，经过钎焊循环的母材组织均匀化，持久性能获得大幅度提高，经C工艺钎焊循环后的母材性能与B工艺相当。

表5 850/325 MPa持久寿命

3 叶片试修复

采用钎焊工艺B及相应叶片钎焊修复流程对叶片进行了试修复，高压Ⅱ导叶片及低压Ⅰ导叶片裂纹修复前后宏观图片如图4所示，目视可见裂纹被钎焊修复，钎缝连续、外观完整，无裂纹等缺陷。裂纹修复后的微观组织如图5所示，钎料润湿并填满裂纹间隙，能够有效修复裂纹。

4 结论

（1）叶片修复的最佳钎焊修复工艺为1 200℃保温30min。

（2）钎焊循环使母材组织均匀化，且组织更为均匀、细小，提高母材性能。

（3）采用1200℃保温30min工艺及相应叶片钎焊修复流程试修复叶片，结果表明修复部位表面无裂纹，可以用其修复某型高压Ⅱ导及低压Ⅰ导叶片。

图3 母材微观组织

图4 叶片修复前后宏观照片

图5 排气边裂纹修复微观组织

[1]ELLISON K A，LOWDEN P，LIBURDI J.Powder Metallurgy Repair of Components[C].Germany：THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS 92-GT-312：P1-8 Present at the international GasTurbine and Expopsition Colilgne，1992.

[2]ELLISON K A，LOWDEN P，LIBURDI J.Powder Metallurgy Repair of Components[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1994，116（1）：237-242.

[3]LIBURDI J，ELLISON K A.NOVEL APPROACHES TO THE REPAIROFVANESEGMENTS[C].Ohio：THEAMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS 93-GT-230：P1-8.Present at the international GasTurbine and Expopsition Cincinnati，1993.

[4]关桥.发动机叶片与部件修复工程中的焊接技术（上）[J].航空工艺技术，1993（2）：2-12.

[5]关桥.发动机叶片与部件修复工程中的焊接技术（下）[J].航空制造技术，1993（3）：2-9.

[6]Xiao Huang;Warren Miglietti.Wide Gap

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Microstructure and mechanical properties of brazed joints for K423 alloy and vane repair

PAN Hui，ZHAO Haisheng，ZHANG Xuejun
（Welding and Plastic Forming Division，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

For repairing the engine high-pressure stageⅡand low-pressure stageⅠguide vanes，the effect of brazing technology on the microstructures and properties of brazed joints and base metal are studied.The results show that technology B(1 200℃/30 min)is optimal，the thermal cycle of brazing refines the microstructure of base metal and improve its endurance property.Using technology B and relevant technological processes，the guide vanes are repaired without any cracks in the brazed parts.

brazing；guide vane；repair；nickel-base superalloy

TG454

A

1001－2303（2016）06－0058-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.12

2015-08-21；

2015-12-29

潘晖（1969—），女，辽宁人，高级工程师，硕士，主要从事新型航空材料及复杂构件的钎焊与扩散焊、航空发动机叶片钎焊修复工作。