钎焊技术在航空领域的应用与发展

Ben Hargreaves

钎焊作为人类最早使用的材料连接方式，在航空领域的应用由来已久。近年来，随着航空制造和航空维修领域提出的技术挑战的增多，该项技术也在与时俱进，发展步伐不断加快。

钎焊是人类最早使用的材料连接方法之一，在人类尚未开始使用铁器时，就已经发明用钎焊连接金属。在航空领域新材料开发和增材制造中钎焊更是几乎遍布飞机的所有结构，是非常关键的一项制造技术。

位于美国加州海沃德市的摩根先进材料（Morgan Advanced Materials）公司（也称为WesGo）是一家专门从事钎焊合金研发制造的全球化先进材料制造商。摩根先进材料公司的合金用途广泛，从修理航空发动机涡轮叶片，到制造用于航天器的火箭喷嘴，再到制造液压组件。

位于英国剑桥南部的焊接研究所（TWI）也非常认同钎焊在航空航天领域的广泛应用，并认为涡轮叶片的制造和修理是最重要的钎焊应用领域之一。除此之外，钎焊技术也被用于压力、温度和速度传感器的装配，铝、钢换热器的制造，以及老旧飞机上液压管路的制造。当前TWI着眼于未来，正在研究适用于增材制造（3D打印）生产的航空航天部件的钎焊技术。钎焊的应用特点

钎焊，是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属材料连接起来的一种焊接方法。钎焊时，首先要去除母材接触面上的氧化膜和油污，以利于毛细管在钎料熔化后发挥作用，增加钎料的润湿性和毛细流动性。根据钎料熔点的不同，钎焊又分为硬钎焊（焊料熔点高于450℃，接头强度大于200 MPa）和软钎焊（钎料熔点低于450℃，接头强度小于70MPa）。钎焊的应用特点主要有以下几方面。

1.钎焊加热温度较低，接头光滑平整，组织和机械性能变化小，变形小，工件尺寸精确。

2.可焊同种金属，也可焊异种材料，且对工件厚度差无严格限制。

3.有些钎焊方法可同时焊多焊件、多接头，生产效率很高。

4.钎焊设备简单，生产投资费用少。

5.接头强度低，耐热性差，焊前清整要求严格，钎料价格较贵。

以真空钎焊为例，它是一种清洁无氟工艺，适用于具有优异外形稳定性的高强度部件，无空隙和杂质，能抗冲击和振动，能承受高压。位于英国伯里（Bury）的航空航天热处理和真空钎焊专业公司WallworkGroup认为，钎焊适用于多零件和复杂部件的组装，以及连接异种材料，包括部分非金属。Wallwork称，要连接的零件可以通过多种方法生产，如冷冲压和成型、铸造、锻造、挤压、制造或加工，可由几乎任何金属、合金甚至陶瓷制成。钎焊的一大优点是它能将相同或不同金属以一种非常坚固的方式连接起来。钎焊在航空航天业的新进展

钎焊在航空航天工业中的广泛应用与其诸多优点分不开，例如可同时加工多个零件，有助于节约成本;可同时成型多个接头;可均匀加热和冷却整个组件，使零件变形最小。另外，钎焊还可将具有不同热膨胀系数的材料连接起来，包括陶瓷。

TWI认为，这项技术很有发展前景。现在，TWI公司正在寻求对工艺、系统与质量以及工艺研发的过程控制、改进和审计。

与摩根先进材料公司和Wallwork公司类似，TWI也在采用真空炉技术和其他技术进行钎焊。最近TWI投产了一个新的工业级真空炉，以满足当今航空航天领域的工艺、质量控制和文件要求。例如，钎焊部件必须满足的航空航天标准有IS09001、AS9100、NADCAP、AMS2750Rev E以及国际公认的钎焊标准。

适用于钎焊的材料

摩根先进材料公司的海沃德工厂正在研发陶瓷一陶瓷、陶瓷一金属和金属一金属接头的钎焊工艺，包括设计机械参数和热参数，以及在真空钎焊和氢钎焊环境下的合金选择。该工厂占地2万多平方米，是摩根先进材料公司研究连接技术的卓越中心。

摩根先进材料公司现场生产的钎焊合金材料通常是金银等贵金属。除了生产和供应以金属丝、粉末、薄板、箔材和膏体形式的钎焊合金外，还为客户提供现场钎焊服务。在金属行业，摩根先进材料的曾用名Wesgo更为人熟知，其最初的背景是贵金属回收商和经销商，如金、银和铂等高纯度贵金属。金和银都是耐高温、耐腐蚀的高强度金属材料。

在英国的TWI，镍、银和其他贵金属被用作钎焊填充金属。在摩根/Wesgo公司，其他用于制作钎焊合金的金属还有钯和钛。

随着航空发动机对温度要求的不断提高，工程师们开始对陶瓷材料越来越感兴趣，尤其是陶瓷基复合材料在涡轮叶片中的应用成为了提高航空发动机效率的关键。据英国剑桥大学工程系介绍，大多数工程用陶瓷材料是在1000℃以上的温度环境下使用，但此时的陶瓷材料不仅韧性较差，且较难连接。但摩根先进材料公司正是考虑采用活性钎焊合金将这些陶瓷材料直接连接到发动机内部的金属结构上，不需要镀金属，一步到位，缓慢完成，而且不会出现任何裂纹。

钎焊在MRO领域的应用

在MRO领域，摩根先进材料公司生产的预烧结预制成型件（PsP）被用于修复涡轮叶片。当叶片因过热和磨损损坏时，可使用这种带有少量与母材金属混合的钎焊合金PSP将其修复。该工艺主要用于涡轮叶片裂纹和磨损区域的修复。同时，这也意味着该工艺可以作为制造发动机外壳新的铸件或锻件的另一种生产方式。

PSP是由高温合金和钎焊粉末混合而成，可根据客户需求制成板状或特殊形状的混合物，能有效实现磨损表面的选择性堆积，从而节省时间和成本。通过可挤压的粘合方式还可在难以到达的区域涂敷PSP，而刷涂形式适于修复深或窄的裂纹或微裂纹。此外，摩根先进材料公司称，采用PsP部件修复零部件所需的焊后加工很少。对于一些贵重组件，通过PSP处理不仅可以完成修复，还可以延长使用寿命。技术应用前景

关于钎焊技术的应用前景，重要的一个方向是真空炉钎焊，其灵活性有力地推动了钎焊技术在先进航空航天领域中的应用。以英国Reaction Engines公司为例，该公司是一家依靠钎焊技术开发高技术的航空航天企业。2018年年底，Reaction Engines公司宣布，已研制安装了一个巨大的定制真空炉，为高超声速推进系统“协同吸气式火箭发动机”（SABRE，“佩刀”）的预冷系统提供钎焊。SABRE项目旨在将燃油喷气发动机的燃油效率与火箭发动机的高速性能相结合。根据设计计划，SABRE为高超声速飞机提供动力，飞行速度超过马赫数5，相当于将波音747飞机飞行20h的航程压缩到4h内。

sABRE的设计核心是超轻量热交换器（预冷器），其功能是防止发动机部件在高速飞行时出现过热。为此，Reaction Engines]2程师需要确保使用的材料重量超轻、坚固，并且它们可以彼此连接在一起。但工程師们最终认为，制造预冷器需要一个专门的熔炉，因为预冷器实际上是一个由超细但非常坚固的金属管组成的复杂系统，专门的熔炉能够精确地控制钎焊过程，从而产出具有“独特形状、几何结构和冶金特性”的设计。预冷器由数以千计携带冷却剂的薄壁管组成，微细管的长度约2000km，管壁厚度却只有人类头发丝直径的一半。要求每个接头处都必须密封，使系统能在几秒之内将空气温度从1000℃降至一150℃。

作为Reaction Engines公司该项目的合作商，美国Consarc公司负责生产真空感应熔炉、真空电弧重熔炉和真空精密熔模铸造炉等炉及相关系统，以及专有工艺的特种熔炉，现已向ReactionEngines公司交付了一台定制的真空钎焊炉，用于制造预冷器。从真空性能到温度控制，关于熔炉的所有性能参数都经过了严格的计算，可以确保其计算结果精确、可重复利用。

采用这种独特的真空钎焊炉能够在受控和可重复的条件下快速、准确地加热和冷却含有大量精密管道的模块化组件。Reaction Engines公司表示，熔炉的热区炉料尺寸是世界上同类炉料中最大的，直径为2.5m，高度为1.5m，如此之大尺寸的熔炉不仅能容纳预冷器的测试件，还能容纳最终构成SABRE全尺寸生产版本的部件段。

摩根先进材料公司表示，对于像Reaction Engines的预冷器这样非常复杂的组件而言，采用钎焊技术制造非常经济。通常，一个包含有1000个接头的组件放在真空炉里，4小时即可完成。在航空航天应用中，钎焊还非常适于连接不同厚度的材料以及不同性质的材料，如金属与陶瓷，或钢材料与镍合金。未来，随着3D打印制造技术的广泛应用，所采用的材料种类也将日趋丰富，但无论这些材料如何混合，它们都会有连接的需求。因此可以预见未来的钎焊技术在增材制造部件中的应用也将会越来越重要。