TLP扩散焊过程中近表面区域元素贫化控制研究

李 晶,侯金保,吴 松

(北京航空制造工程研究所,北京100024)

TLP扩散焊过程中近表面区域元素贫化控制研究

李 晶,侯金保,吴 松

(北京航空制造工程研究所,北京100024)

为了控制 TLP扩散焊过程中近表面区域元素贫化,通过对IC10合金TLP扩散焊不同充氩分压量实验,测试分析充氩分压对表面Cr元素含量的影响和对焊接组织性能的影响。实验结果表明:TLP扩散焊真空充氩分压能控制表面Cr元素贫化层厚度在4μm左右,能有效控制 TLP扩散焊过程中的表面元素贫化问题;焊接保温20min后开始分压,对焊接接头组织性能无不利影响;焊后进行热处理,能提高焊接强度,恢复基体组织性能。添加涂层后,经过扩散处理,贫Cr层消失。

IC10合金;贫化;分压;组织

由于Ni3Al金属间化合物原子的长程有序结构和原子间金属键及共价键共存[1],使其具有熔点高,密度小,抗氧化性好,高温强度高等特性,在高性能航空发动机中有很好的应用前景。微量硼元素可显著提高Ni3Al的室温塑性,γ相可使Ni3Al的强度和韧性同时提高,高熔点元素Mo,Co,W,Ta等可对γ相和γ′相起固溶强化作用[2,3],现在研制出的Ni3Al基双相合金性能显著提高,达到实用化水平,该材料的应用必然会涉及连接问题。采用过渡液相(Transient Liquid Phase,TLP)扩散焊[4],该方法结合了钎焊和固相扩散焊的优点,能获得组织成分均匀的接头,可获得高温抗拉、高温持久性能达到基体80%～100%的焊接接头[5,6]。在Ni3Al化合物基材料 IC10合金导向叶片TLP扩散焊过程中,高温、高真空条件下长时间保温,导致表面Cr元素挥发产生表面元素贫化现象。表面Cr元素贫化导致材料表面成分变化,会引起材料抗氧化性和强度下降,这对涡轮叶片等热端部件的使用性能和寿命有重要影响。

本工作针对IC10合金导向叶片 TLP扩散焊产生的表面贫Cr问题,控制表面Cr元素贫化的工艺条件和表面元素贫化控制对焊接的影响。

1 实验

1.1 实验材料

选用的IC10合金为Ni3Al金属间化合物基材料,其化学成分和主要力学性能如表1和表2所示。铸态IC10合金主要由γ相及γ′相组成,经过1180℃/2h+1260℃/2h,AC热处理后的 IC10合金相组分中,γ′相含量约70%～80%,γ相约20%～30%,以及少量硼化物和碳化物[7]。

表1 IC10合金基体化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of IC10 alloy(mass fraction/%)

表2 IC10合金的持久性能Table 2 Stress-rupture property of IC10 alloy

1.2 实验方案

IC10合金 TLP扩散焊经过1200℃以上10h保温焊接试样表面元素贫化情况如图1和表3所示,可发现Cr元素贫化明显,Cr元素的含量从表面往里依次增加,到离表面15μm处成分基本稳定,该处测试的成分和IC10合金的名义成分相符合,说明贫化层厚度约为15μm。从热处理手册可查到,不同金属元素在高温下的饱和蒸汽压,如Cr元素在1200℃的饱和蒸汽压为10Pa,1300℃的饱和蒸汽压为130Pa[8]。1240℃TLP扩散焊时真空度优于7×10-3Pa,即焊接时真空室压力远小于Cr元素的饱和蒸汽压,导致焊接过程Cr元素挥发,产生材料表面Cr元素贫化问题。针对这一原因控制焊接过程表面元素贫化的方案为:在焊接过程中填充惰性气体氩气进行分压,使真空室的压力高于Cr的饱和蒸汽压,测试分析材料表面Cr元素含量,以及测试分析充氩分压对焊接的影响。

图1 TLP焊后IC10合金截面电子探针图Fig.1 The cross-section figure of electronic probe IC10 alloy after TLP bonding

2 实验结果与分析

2.1 表面元素贫化控制实验分析

采用焊接温度下真空充氩降低真空度,控制焊接温度下表面元素挥发;同时考虑到氩气中氧分压远高于真空条件下的氧分压,为了减少充氩对焊接组织性能和焊料润湿的影响,充氩分压开始时间为焊接保温20～30min后,采用不同充氩分压真空度实验结果如下:

表3 TLP焊后IC10合金截面电子探针测试成分(质量分数/%)Table 3 Chemical composition of cross-section IC10 alloy with electronic probe testing(mass fraction/%)

充氩分压真空度为6～10Pa时,焊接试样表面及元素分布情况如图2和表4所示,试样表面有明显浅色块状贫化层,表面Cr元素含量为3.0%,说明贫Cr情况与高真空焊接比已经明显减轻,贫化层厚度约15μm。

图2 氩分压为6Pa真空度TLP焊接试样截面图Fig.2 The cross-section figure of bonding sample in 6Pa argon

表4 氩分压到6Pa真空度焊接试样成分表(质量分数/%)Table 4 Chemical composition of bonding sample in 6Pa argon(mass fraction/%)

充氩分压真空度为80～100Pa时,焊接试样表面及元素分布情况如图3和表5所示,表面Cr元素含量低,从表面往里4μm处Cr元素含量接近基体水平,即表面贫Cr层厚度为4μm左右,达到工程上控制表面元素贫化的要求。说明采用真空充氩方法到合适真空度,可以控制焊接过程中表面元素贫化问题。

图3 氩分压为80Pa真空度TLP焊接试样截面图Fig.3 The cross-section figure of bonding sample in 80Pa argon

表5 充氩分压到80Pa真空度焊接试样成分表(质量分数/%)Table 5 Chemical composition of bonding sample in 80Pa argon(mass fraction/%)

2.2 表面元素贫化控制对焊缝组织的影响

图4,5分别为高真空 TLP扩散焊接头组织和充氩分压焊接接头组织,可以发现两种接头组织基本相同,接头组织均匀。在焊接保温20min后熔化的液相焊料已经填充焊缝,此时开始充氩分压,充氩带入的氧对焊接表面没有明显的影响,没有出现焊接面氧化影响焊料润湿铺展和焊合率的问题,即在焊接保温20min后开始充氩分压,对 TLP扩散焊接头组织没有影响。

图4 高真空焊接接头组织图Fig.4 The microstructures of high vacuum joint

2.3 贫Cr层在叶片使用过程中的变化

图5 氩分压焊接接头金相组织图 (a)4μm间隙焊接接头;(b)8μm间隙焊接接头Fig.5 The metallographic microstructures of bonding joint with argon gas(a)4μm gap of bonding joint;(b)8μm gap of bonding joint

IC10合金导向叶片表面设计有热障涂层,热障涂层的底层为富Cr的NiCrAl Y抗氧化涂层,导向叶片在高温使用过程中,涂层和基体内部的Cr会向贫Cr层中扩散[10]。高真空焊接后再添加热障涂层的试样,在空气炉中经过1050℃,48h处理后,试样组织如图6所示,化学成分如表6所示。可以发现,以前贫Cr层的位置Cr含量比IC10合金基体高,即贫Cr层已经消失,说明高真空焊接存在表面元素贫化的叶片,添加热障涂层再高温使用过程中,随着元素扩散,贫化层很快消失。

图6 焊接后加涂层经扩散处理试样Fig.6 Diffusion treating post-bonding sample in adding coating

表6 焊接后加涂层经扩散处理试样成分表(质量分数/%)Table 6 Chemical composition of diffusion treating post-bonding sample(mass fraction/%)

3 结论

(1)采用真空充氩分压进行焊接,表面Cr元素贫化层厚度约4μm,与高温合金真空热处理相当,即焊接时采用真空充氩分压可控制 TLP扩散焊过程中表面元素贫化问题。

(2)焊接保温20min后充氩分压进行焊接,试样接头组织没有明显变化。

(3)导向叶片在 TLP扩散焊过程中产生表面元素贫化,在高温使用过程中,由于基体和热障涂层中Cr元素扩散,贫Cr层很快消失。

[1] 仲增墉,叶恒强.金属间化合物[M].北京:机械工业出版社,1992.

[2] 赵希宏.定向凝固Ni3Al基合金[J].材料工程,1997,(9):9-12.

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[4] LI W,JIN T,SUN X F,et al.Study of Ni-Cr-Co-W-Mo-B interlayer alloy and its bonding behaviour for a Ni-base single crystal superalloy[J].Scripta Materialia,2003,48:1283-1288.

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[6] 谢永慧.IC-6合金 TLP连接机理及接头组织、性能研究[D].北京:北京航空材料研究院,2000.

[7] 叶雷,毛唯,谢永慧,等.定向凝固高温合金 IC10瞬态液相(TLP)扩散焊接头组织研究[J].材料工程,2004,(3):42-46.

[8] 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册[M].北京:机械工业出版社,2008.

[9] 吴小梅,何力明,李建平.NiCrAlSi涂层对IC10合金力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2008,(5):33-38.

Study the Evaporating Controlled of Near Surface Element in TLP Diffusing Bonded

LI Jing,HOU Jin-bao,WU Song
(Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China)

For controlling the evaporating of near surface element in TLP diffusing bonded the effect of joint microstructure and Cr content was tested with doing some partial pressure experiments with argon gas in IC10 alloy TLP diffusing bonded.The results indicated that TLP diffusing bonded with vacuum full of argon gas can control the surface element Cr evaporating,the evaporating thickness was 4μm.The problem of element Cr evaporating in TLP bonded was controlled effectively.Vacuum full of argon gas after holding 20 minute,there was no bad effect to the joint microstructure and property.Heat treatment after bonding can increase the bonding intensity,recover the microstructure.After adding coating and through diffusion treating,the depleted Cr layer disappear.

IC10 alloy;evaporate;partial pressure;microstructure

TG457.1

A

1001-4381(2010)10-0069-04

2010-06-20;

2010-07-23

李晶(1981—),女,硕士,从事新材料、新结构的钎焊/扩散焊研究工作,联系地址:北京市340信箱科技发展部(100024),E-mail:lijingyan555@163.com