高温合金焊接研究现状及发展趋势

柯长福 王旭彬

摘要：高温铝合金具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐氧化特征，在高精度、高端领域应用广泛。本文重点论述了高温合金发展现状、应用场景，针对高温合金技术中裂纹类型及原因进行分析，对技术工艺以及相应的优缺点做出细致讲解，并对高温合金焊接常见问题及改良措施做了介绍，推动我国高温合金技术不断创新发展。

关键词：高温合金;焊接工艺;技术改良

引言

我国科学技术创新发展，推动了各领域技术性能不断完善，高温合金在我国高、精、尖领域生产中利用率越来越高，可以在严苛的环境下承受复杂的机械应力，满足人们应用需求。随着人们对航空、航天等领域的发动机性能要求的提高，对内燃机和喷气发动机耐用性要求的提高，普通金属难以完成飞机发动机技术创新要求，高温合金具有可塑性、抗拉性及耐腐蚀特性，目前在航空领域普遍运用。

1高温合金分类

高温合金根据材料形成方法，包括铸造、变形、新型三种形式。高温合金主要分为三类，铁基高温合金以Fe 为基体，可以融合少许Ni、Cr等材质，提高其耐高温及耐氧化能力。钴基高温合金以Co为基体，融合少许Ni、Cr等材质，提高耐高温性能，由于Co成本较高，一般应用范围窄化，仅运用于复杂应力零件生产。镍基高温合金主要以Ni为基体，较Fe为基体的耐高温性能更强，其成本价格低于Co为基体，可广泛运用于各领域。我国飞机、舰船、燃气轮机对变形高温合金应用占比较大，铸造高温合金最高耐温能力可到到1800℃以上，但由于成型较为困难，新型高温合金可以解决高温合金成型困难问题，适用领域更加宽泛。

2高温合金焊接的发展

2.1焊接裂纹形成机理

高温合金由于应用场景限制，主要集中在对焊接裂纹、焊接接头、微观组织等技术工艺掌控。

2.1.1凝固裂纹

焊接缝区容易在凝固温度区间造成晶间的液体封闭，导致凝固晶界与亚晶界之间出现闭合不严，这种裂纹称之为凝固裂纹。主要因素是高温合金耐温性能影响其导热性能，液态高温合金缺乏流动性，焊接接头易发生热裂状况。通过对同类合金的凝聚温度区间计算，结果表明不同含量对合金凝固温度区间有一定内在联系，其中W含量与合金凝固温度区间具有正向联系。界面活性原子偏析析液相中，形成低熔点共晶相，弱化了晶界的凝聚力，导致焊缝闭合能力差，进而出现裂纹。

2.1.2液化裂纹

晶间液膜在热应力和机械应力因素下产生的裂纹叫做液化裂纹。其中焊缝晶間会生成液膜，导致裂纹出现。通过对焊接仪器实验发现Nb、B等物质会随着焊接接头应力的增加，液化裂纹会随之增大，具有一定敏感性。热影响区晶界富Nb物质会因焊接动作温度的升高出现液化。

2.1.3高温失塑裂纹

这种微小的裂纹一般易在固相线以下低塑性温度区出现。虽然学者对高温失塑裂纹未能明确形成机理，但导致裂纹产生的主要原因有P、S、Nb、Mn等元素含量，焊后热处理工艺以及晶界的状态以及适应性。

2.1.4应变时效裂纹

焊接焊后残余应力与实效应力双重作用下，超过了合金塑性承受能力，晶界会因应力骤然聚集而导致沿晶开裂。该裂纹主要发生在焊后热处理后者焊缝热影响区。技术人员应对合金晶粒尺寸严格审核，在作业过程中控制热输入量，焊前及焊后加强技术控制，采用预热或喷丸等处理手段。

2.2高温合金的焊接工艺研究

2.2.1钨极氩弧焊

该焊接工艺具有飞溅微弱、电弧稳定、焊接对象广泛、焊接质量优良的特点，因焊接操作便捷，可以实现自动焊接。高温合金钨极氩弧焊一般对焊接接头控制能力较强，主要改善或应用特定焊接工艺为主。不同焊接参数下，晶粒相、焊接峰值电流区间、脉冲频率等有所不同，其中脉冲TIG焊可以严格控制技术参数，焊缝峰值电流、脉冲频率、占空比增加，焊缝强度也会随之提高，可以细化晶粒效果。对高温合金开裂部分预热处理后，会弱化液化裂纹的生成。如果焊接速度放缓，易出现气孔或者咬边等技术不良现象，在热影响作用下，易出现液化裂纹，难以满足高精度构件焊接要求。

2.2.2激光焊接

该焊接工艺较为精密，热源采取高能量密度的激光束，焊件热影响区范围控制较小，可以高度集中热输入，实现自动化控制，可以满足高精度的航空领域焊接技术应用。高温合金如果热输入过大会生成液化裂纹，激光焊可以降低熔池流动性，适用于多种焊接参数区间，对提高焊缝强度，控制裂纹具有良好作用。在相同热输入条件下，不同材质激光焊接接头，焊缝均不会产生气孔和裂纹等严重不良缺陷，焊缝因焊接母材差异，强度也会产生一定变化。镍基高温合金焊接易发生裂纹，因此，采用激光焊接，经过对比实验，焊前固溶热处理可以使镍基高温合金内部物质溶解，随着合金强度的加大，融化裂纹长度也会随之增加。

2.2.3电子束焊

该焊接技术工艺是在真空环境或大气环境下，对加工部件采取加速和聚焦的电子束完成焊接工艺。电子束焊能量密度高，变形小、深宽比大，热影响小、高纯净性等特点，可用于高精度、高端制造领域。电子束焊接为了控制裂纹，应在作业前做热处理。对电子束焊做实验，结果表明电子束流与深宽比及熔深呈正向关联，如果加入扫描波形会出现接头横截面弯曲，背面未焊接完全等不对等性。焊接接头强度应大于焊接母材，但焊缝区硬度未能高于焊接母材。热处理可以提高焊接接头强度，还具备一定延展性和抗拉性。电子束焊接受到作业环境限制，工件过大难以操作，大批量构建不适用该技术工艺。

2.2.4钎焊

该焊接工艺采用熔点较低的焊件与钎料共同加热，利用液态钎料对工件缝隙做出连接。实验表明，钎焊在1250℃，保持10min，抗压强度为645MPa，此技术参数接头抗剪强度最高。

2.2.5摩擦焊

该焊接技术是对工件接触面摩擦生成热源，在摩擦产生热能的作用下使焊面变形，热影响集中，不容易生成裂纹。目前，业内学者重点优化焊接参数，对运行机理研究不够深入。通过实验表明，当转速800r/min时，飞边光滑，随着转速的提高，飞边逐步呈现弧纹和开裂。对合金线性摩擦焊试验表明，该焊接工艺较熔焊工艺不同的是，焊缝区布满了重结晶晶粒。焊接过程中产生的压应力控制了液化裂纹产生。

3高温合金焊接技术未来发展趋势

高温合金根据不同应用场景及作业环境可采取不同焊接技术，满足各领域工业、制造业发展需求。高温合金焊接技术推动了我国航空、国防、机械加工等领域制造，尤其高精度、高端部件的制造，可以提高焊接的精度和质量。高温合金焊接加工技术还应根据人们生产、生活需求，在技术工艺上不断创新科学研究、更新迭代，在综合性能不断提高的前提下拓展应用范围。

4结束语

综上所述，高温合金采用不同焊接技术，焊接工艺技术优缺点也有所不同。我国航空发动机、涡轮叶片发动机等广泛采用高温合金焊接技术，该材质具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、耐氧化等特点，针对不同工艺优缺点及突破性改良案例介绍，为高温合金未来发展指明了方向，对拓展高温合金应用范围夯实基础。

面

参考文献

[1]袁战伟，常逢春，马瑞，白洁，郑俊超.增材制造镍基高温合金研究进展[J].材料导报，2022，36（03）：206-214.

[2]任少飞，张健杨，张新房，孙明月，徐斌，崔传勇.新型Ni-Co基高温合金塑性变形连接中界面组织演化及愈合机制[J].金属学报，2022，58（02）：129-140.