李思思 毛唯 陈波 程耀永 裴冲 熊华平 陈昊

摘要：DD5单晶高温合金的焊接质量在航空发动机叶片的制造中十分关键。采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料，在一定钎焊条件下对DD5单晶高温合金进行钎焊试验。结果表明，NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料可实现DD5单晶高温合金的钎焊，接头冶金连接良好，无裂纹、孔洞等缺陷;钎缝组织较复杂，为γ+γ'双相组织基体上分布硅化物、碳硼复合化合物、碳硼硅复合化合物等相;钎焊间隙对接头高温持久性能有影响，钎焊间隙为0.1 mm时，接头980 ℃/100 h的持久强度可达到80 MPa。

关键词：DD5单晶高温合金;钎焊;镍基钎料;高温持久性能

中图分类号：TG454，TG425      文献标志码：A       文章编号：1001-2003（2020）09-0286-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.33

0 前言

DD5单晶是为满足航空发动机涡轮叶片的需求而研制的一种第二代单晶高温合金，该合金具有优异的高温性能、良好的抗氧化性、抗热腐蚀性以及组织稳定性。此外，DD5单晶添加了晶界强化元素C、B和Hf，不仅使得合金在小角度晶界的允许极限上具有优势，同时这些元素的加入在一定程度上改变了凝固时的溶质分配并生成析出相，也强化了基体 [1-4]。钎焊是航空发动机涡轮叶片不可缺少的关键制造技术之一，例如对于涡轮工作叶片，通常在叶尖或叶根的有一些工艺孔需要采用钎焊技术予以封堵;而涡轮导向叶片则通常为双联或双联以上的焊接组合件，此外还可能有冷气导管或导流板、盖板等零件与叶片组件的钎焊。

中国科学院金属研究所孙元等[5]对DD5单晶的钎焊进行了研究。采用Co-（18～20）Cr-（15～17）Ni-（7～9）Si-（4～5）W-（2～3）B钴基钎料在1 180 ℃下对DD5单晶进行钎焊试验研究，结果表明，钎焊间隙与钎焊保温时间对接头组织和性能有显著的影响[6-7]。采用1 180 ℃/60 min的钎焊规范，钎焊间隙从10 μm增至200 μm，钎焊接头870 ℃拉伸强度从792 MPa降至约400 MPa[6]。随着钎焊保温时间增长，钎焊接头性能提高[7]。进一步增长钎焊保温时间，接头性能还可能提高，但保温时间过长，会影响母材的组织状态从而弱化母材性能，因此采用Co-Cr-Ni-Si-W-B钎料钎焊DD5单晶的最佳规范为1 180 ℃/180 min[7-8]

文中在1 230～1 260 ℃/20～30 min的条件下采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）镍基钎料对DD5单晶进行了钎焊试验。

1 试验材料和方法

试验用母材为第二代镍基单晶高温合金DD5，其主要合金元素含量如表1所示[3]。试验用钎料为ВПр24镍基钎料粉末。

采用对接钎焊接头，接头间隙分别为0.05 mm和0.1 mm。钎焊试验在ZH-200型真空炉中进行，热态真空度优于4×10-2 Pa，钎焊规范为1 230～

1 260 ℃/20～30 min。采用掃描电镜和能谱仪对接头组织进行分析。采用如图1所示的试样测试钎焊接头980 ℃的持久性能。

2 结果与分析

2.1 钎焊接头的组织

NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料在一定条件下钎焊DD5单晶的接头组织如图2所示。可见钎焊缝的组织很复杂，在钎焊缝中存在大量的各种形态的化合物相，钎焊间隙从0.05 mm（见图2b）增大到0.1 mm（见图2a），接头组织几乎没有变化。表3列出了图2a钎缝中各微区化学成分的能谱分析结果，图3则为图2a接头局部区域部分元素的面分布，由于元素Co、Ta、C、Re、Ti、Hf的分布较均匀，因此图3未列出这些元素的面分布。从图3可见，钎缝中各种形态的化合物相均富Si（见图3d）、富Mo（见图3g），Ni含量较低（见图3b），几乎不含Al（图3f）。对于不同形态的化合物相，灰块相的Nb含量高于白块、条相（见图3c），W、B则主要在白块、条相中（见图3h、3i）。此外，灰块相及其邻近的钎缝基体中Cr含量低（见图3e）。

结合表2与图3的测试结果，分析钎缝组织如下：图2a中灰块（微区7）中Si、Nb含量很高，可能为富Nb的Ni3Si相;白块（微区8）、条（微区9）富W，可能为M6（B，C）型硼碳化合物相;浅灰块（微区6）则可能为硅硼碳复合化合物相;钎缝基体（微区3～5）为γ+γ'双相组织，由于各种形态的化合物相Al含量很低，使得其邻近区域钎缝基体（微区4、5）中Al含量高于其他部位的钎缝基体（微区3）。

表3列出了图2b钎缝中各微区化学成分的能谱分析结果。对比表2和表3可知，两种间隙的接头（见图2a、2b）钎缝的组织构成是相同的。此外，从表3还可以看出，母材中的微小条、块相（图2b中的微区10～11）应为碳化物[1-4]。其中图2b中的小块（微区11）过于细小，分析区域部分落在母材基体上，对照成分析结果有较大偏差。

2.2 钎焊接头的高温持久性能

NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料钎焊DD5单晶接头的高温持久性能测试结果如表4所示。可以看出，0.1 mm间隙接头的高温持久性能明显优于0.05 mm间隙接头，前者980 ℃/60 MPa持久寿命不低于77 h50 min，而后者980 ℃/60 MPa持久寿命只有10 h左右。此外，钎焊接头的高温持久性能测试数据分散性较大，例如0.1 mm间隙接头的持久性能，较差的测试数据为980 ℃/60 MPa持久寿命约80 h，而较优的测试数据为980 ℃/80 MPa持久寿命超过100 h，即接头980 ℃/100 h持久强度达到80 MPa（每100 h增加应力20 MPa）。

從图2可见，间隙为0.05 mm与0.1 mm的钎焊接头，其钎缝宽度虽然不同，但钎缝显微组织是相同的，钎缝中均布满了各种形态的化合物相。但不同间隙接头的高温持久性能却存在较大差异，这可能与NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料自身的特性有关。NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料是俄罗斯开发的一种适用于大间隙钎焊的钎料，当钎焊间隙过小（如0.05 mm）时，钎料难以完全填满间隙，可能使钎缝产生缺陷，导致钎焊接头性能降低。此外，由于该钎料含Al的同时还含有10%～11%的Nb，使其工艺性能较差，这可能是其钎焊接头性能测试数据分散的原因。

3 结论

（1）采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料，在一定钎焊温度下可以实现DD5单晶高温合金钎焊连接，接头冶金质量好，无裂纹、孔洞等缺陷。

（2）采用NiNbCoWCrAlSiMo（俄ВПр24）钎料钎焊DD5单晶的钎缝组织较复杂，为γ+γ'双相组织基体上分布硅化物、碳硼复合化合物、碳硼硅复合化合物等相。

（3）钎焊间隙对钎焊接头的高温持久性能有一定的影响。钎焊间隙为0.1 mm时，接头980 ℃/100 h的持久强度可达到80 MPa。

参考文献：

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Microstructures and stress-rupture properties of DD5 single crystal superalloy

joints brazed with a Nickel-based filler metal

LI Sisi， MAO Wei， CHEN Bo， CHENG Yaoyong， PEI Chong，

XIONG Huaping， CHEN Hao

（Welding and Plastic Deforming Division， Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China）

Abstract： Joining of DD5 single crystal superalloy is extremely important for the manufacturing of the blades and vanes in aero-engines. In this paper， the DD5 single crystal superalloy was brazed with NiNbCoWCrAlSiMo（ВПр24） filler metal. Sound joints were obtained. The joint microstructure was complicated. The interface reaction products could be characterized as carbides， borides and silicides compounds distributed on the γ+γ’ dual-phase matrix. Meanwhile， it was fount that the joint gap had an effect on the joint stress-rupture strength. With the joint gap of 0.1mm， the joint stress-rupture strength under the condition of 980℃/100h reached 80MPa.

Key words： DD5 single crystal superalloy; brazing; Nickel-based filler metal; stress-rupture properties