【航空技术】航空发动机高温合金焊接性能的研究现状

摘要

高温合金是能在600℃以上高温环境长期保持良好性能的合金材料。为了适应航空发动机复杂的工作环境，提升发动机性能，高温合金材料常被用于制造航空发动机热端构件。但是，由于高温合金添加了多种合金元素，合金的焊接性能较差，焊接接头处易产生热裂纹和晶界液化。而焊接是航空发动机重要的加工和修复手段之一，因此高温合金的焊接加工与修复技术具有重要的研究意义。本文对高温合金的焊接接头微观组织和焊接性能进行了讨论，并阐述了高温合金几种主要焊接工艺的研究进展。

关键词：高温合金；焊接性能；热裂纹；航空发动机；焊接工艺

高温合金是20世纪30年代末由镍铬电阻合金发展而来的，能在超过600℃以上的高温环境下保持良好性能并长期正常服役的镍基、钴基或铁基高合金化合金。在航空发动机领域，发动机的动力性能很大程度上受热端构件的高温性能影响，因此高温合金材料主要被用于制造发动机动力推进系统的热端承力构件。据统计数据显示，高温合金的应用量已达发动机材料的40%～60%。

焊接技术是高温合金构件主要的加工与修复方法之一，能对发动机部件进行制备加工，并对受损部件一定深度的缺陷和损伤进行修复，有效降低了加工和维护成本。目前，焊接构件在现代飞机中所占比重已达50%以上。在航空制造、燃气轮机等领域，高温合金构件的焊接技术都已得到广泛应用。相应地，为了解决高温合金在焊接过程中可能出现的问题，研究者们对高温合金的焊接性能进行了系统研究。

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高温合金的焊接性

高温合金的导热系数较低，液态合金流动性差，其焊接接头往往具有较大的拘束应力，热裂倾向较大。此外，基于提高合金高温性能的要求，先进的高温合金均添加了多种合金元素，合金元素的增加与强化相的析出会导致接头热裂纹敏感性增加，高温力学性能恶化，对高温合金的焊接性能造成负面影响。例如，Ti、Al元素是γ′相的主要形成元素，若合金中Ti、Al元素的含量超过一定范围，会形成γ′/γ共晶组织，导致合金液化裂纹和应变时效裂纹的敏感度增加；而Nb元素在焊接热影响下的偏析和形成的低熔点共晶相是热影响区微裂纹产生的原因之一。此外，合金热裂纹敏感性还会受到S、P、B等有害杂质元素的影响，因此，高温合金的焊接性相对较差，给材料的焊接加工修复造成了一定障碍。

要对高温合金焊接性能进行评价，主要需要考虑两方面：焊接接头的均匀性、等强性和焊接裂纹的产生。

1.1 焊接接头的均匀性和等强

接头的等强性和微观组织的均匀性是判断焊接质量的关键因素。高温合金服役过程中一般要承受高温和应力的多重作用，为了保证部件的整体一致性，焊接接头应尽可能具备与母材组织同样的高温强度、塑性、疲劳强度和均匀的微观组织。

1.2 焊接裂纹

凝固裂纹：由于高温合金中添加合金元素较多，在较快的冷却速度下，元素偏析形成的低熔点液化薄膜会聚集于凝固晶界和枝晶间区域，在焊缝金属凝固末期容易受焊接应力作用发生沿晶开裂。凝固裂纹敏感度受合金凝固温度范围、液相分布和碳化物的影响，可通过减少S、B、P等杂质元素含量，合理控制合金元素Ti+Al含量，降低热输入，控制凝固末期低熔点液相含量或焊前预热处理等方法控制凝固裂纹的产生。

液化裂纹：液化裂纹主要出现在热影响区。在焊接过程中，靠近熔池的热影响区近缝区受焊接热影响迅速达到固-液相区温度点，晶界上的共晶体和某些相来不及发生平衡转变，便在晶界上形成液态薄膜。晶界液膜在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界形成液化裂纹。应尽量减少S、P等低熔点共晶组织形成元素，降低焊接热输入量、减少高温停留时间，以减少或防止产生液化裂纹。

应变时效裂纹：沉淀强化高温合金焊接部件在焊后热处理或在高温服役过程中可能出现此裂纹。由于焊接部件存在较大的焊后残余应力，当再次处于热环境下，残余应力释放，会与热处理过程强化相析出产生的时效应力相叠加，应力会在晶界处集中，可能发生沿晶开裂。可通过细化合金晶粒尺寸、降低焊接热输入量，焊前预热或焊后进行喷丸处理等方法进行防范。

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高温合金焊接研究现状

综上所述，发动机高温合金部件的焊接必须满足：尽可能少地改变原始微观结构；尽可能不在熔合区和热影响区引入相关残余应力；不在熔合区和热影响区产生裂纹；无大量偏析和元素大规模扩散。因此，对高温合金进行焊接时应选择热输入量较小，热输入稳定且集中的焊接工艺。本文将在上述基础上，对发动机高温合金部件的几种主要焊接工艺研究进行综述。

2.1 熔化焊

2.1.1 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊（TIG焊）是一种非消耗性电极与焊接件间产生热量的熔化焊方法，其焊缝质量较好，成本低，设备较简单，容易实现自动焊接。

González等人对预热处理后的IN939高温合金进行TIG焊热影响区的开裂行为进行了研究。结果发现，合金经过焊前预热处理，焊接过程中热影响区液化裂纹生成的概率明显下降，这是由于预处理析出的球状有序γ′相和离散块状碳化物（MC）对晶界液化裂纹敏感性较低的缘故。

Ojo等人通过Gleeble热机械模拟和观察实际TIG焊接试样，研究了镍基高温合金IN738LC的主要强化相γ′相对合金TIG焊热影响区显微裂纹的影响。结果表明：当加热到焊接模拟温度时，γ′相颗粒会与周围的γ基体发生共晶反应形成液膜，并渗透到晶界区域，使其容易在外界应力作用下萌生液化裂纹。实验结果与该结论相印证，说明液相γ′会促进高温合金热影响区微裂纹的形成。

仲超等人采用不同工艺参数和直接时效热处理工艺对GH4169变形高温合金进行TIG焊修复。结果表明：随着焊接速度和送丝速度的提高，部分熔化区和热影响区的宽度和晶粒大小变小；焊接修复后修复区的硬度要大于部分熔化区和热影响区的；在较低的焊接电流、较高的焊速和送丝速度的工艺参数下，焊接修复试样的抗拉强度更加优异。

钨极氩弧焊作为一种工艺简单的焊接方法，在实际工业应用中容易出现咬边、气孔等缺陷，焊接质量相对较差，热影响区大，更容易产生液化裂纹，并不能满足高质量的焊接要求，R.R.公司认为钨极氩弧焊不适合用于航空发动机关键构件的焊接。

2.1.2 电子束焊

电子束焊（EBW）是一种通过加速聚集的电子束轰击焊件，利用产生的热量进行焊接的工艺，具有热影响区小，焊接热输入量集中，能量密度和利用效率高，焊后变形量小等优点。目前真空电子束焊是应用最广的电子束焊法。

张海泉等人对镍基高温合金GH4133进行了电子束焊接裂纹研究。结果表明：合金热影响区存在大量沿晶微裂纹，由电子束的热冲击热力学效应所致，而焊接过程中热输入促进了裂纹的扩展。其中，焊接接头处的液化裂纹是由于MC碳化物液化于晶界形成低熔点共晶液化膜所致，而固相裂纹主要是由于高能电子束的快速热冲击效应致使孔穴形成并沿晶界扩展所产生。

Han等人研究了镍基高温合金K465电子束焊的焊接性和开裂特征。合金的熔合区组织主要为γ枝晶、碳化物、枝晶间γ′/γ共晶和细小的γ′颗粒。可观察到熔合区出现凝固开裂和热影响区出现晶间液化开裂，因此合金焊接性较差。其中凝固裂纹是由于Ti、Nb、Al元素在凝固末期枝晶区偏析形成残余液态金属造成的，其裂纹敏感性随热输入增加而增加；而液化裂纹是由于γ′颗粒和碳化物的液化以及γ′/γ共晶、富Cr硼化物的熔融导致，其中γ′颗粒的液化是主要原因， 其裂纹敏感性随热输入的增加而降低。

Barbieri等人和Montanari等人在不同焊接条件下对IN792定向凝固高温合金进行电子束焊接。试验结果表明，相比于无预热条件，预热条件下以不低于1.5m/min的焊接速度进行电子束焊接，焊缝处不会出现宏观缺陷（裂纹和气泡），且在300℃预热条件下以2.5m/min的焊接速度进行焊接，效果更佳。焊后合金熔融区的γ′相数量要低于基体中γ′相的数量，且颗粒细小，平均粒径为20nm，使该区域的硬度有所增加。而在热影响区中，有序相的比例没有发生改变，但颗粒由于热影响发生粗化，硬度较母材略有下降。

David等人对镍基单晶高温合金PWA1480的电子束焊接和激光焊接性能进行研究，研究发现，两种焊接工艺的熔合区均出现了较大程度的开裂，其裂纹主要是由于低熔点共晶组织存在而形成的凝固裂纹；焊缝中存在的取向错位的杂晶是促进裂纹产生的主要因素。另外发现，预热500℃条件下在一定的焊接工艺参数区间内，可获得无宏观裂纹的焊缝；且γ′/γ相界面无溶质偏析，成分接近平衡组分。

电子束焊工艺的研究目前已较为成熟，焊接能量密度大，能量转换率高（可达 80%以上）。虽然作为高能束焊的一种，电子束的热冲击不可避免地促进了热裂纹的萌生，但现有研究表明，可以通过焊前预热处理、控制热输入量等方法有效抑制裂纹的产生。R.R.公司RB211型发动机的高压压气机盘和后轴，Trent600、700发动机压气机转子，P&W公司的PW4000发动机的风扇盘和高压压气机转子等航空发动机构件均应用了电子束焊工艺进行加工。

2.1.3 激光焊

激光焊是一种以聚集高能量密度的激光束作为热源轰击焊件，利用产生的热量实现快速焊接的工艺。激光焊的自动化程度高，热输入量低，且热输入集中，焊后几乎不出现变形，可用于焊接飞机的复杂部件焊接。

Wang等人采用了Nd:YAG脉冲激光焊接技术对René 77镍基高温合金进行了补焊试验。结果显示，在适当的焊接参数下，焊缝熔合区与热影响区没有形成裂纹，但激光能量过高会导致焊缝中心线开裂或焊缝熔合区晶间开裂，且在焊缝熔合区与热影响区的界面处可能会出现各种类型的液化裂纹。Sidhu等人对IN738定向凝固高温合金的激光焊裂纹扩展行为进行研究。分析对比发现：裂纹主要出现在热影响区，只有部分裂纹扩展到了熔合区。二次凝固的碳化物（MC）、M3B2硼化物、M2SC硫碳化物和γ′/γ共晶以及γ′析出颗粒的部分液化，是晶界液化以及液化裂纹产生的主要原因。且相较于普通的铸造高温合金，定向凝固高温合金能更好地抵抗液化裂纹的产生。

Zhang等人对激光焊接Ni3Al基单晶高温合金MX246的工艺参数与接头性能进行研究。结果发现：激光焊MX246合金试样的焊接接头抗拉强度可达到母材75%以上，其主要焊接裂纹形式是凝固裂纹。激光工艺参数和晶粒尺寸大小对焊接接头的裂纹敏感性有显著影响。其中，激光功率决定了焊接热输入和焊缝深度，热输入过高会导致晶粒粗化、热影响区开裂，而低扫描速率可降低焊缝裂纹敏感性；此外，细晶区的裂纹敏感性远低于粗晶区。

Barbieri等人在2mm厚的定向凝固IN792高温合金板上进行激光焊接。结果发现：在焊前预热200℃，不摆动情况下以1.5m/min的焊速进行激光焊接可获得较好的焊接接头，孔隙率降低，熔融区和热影响区宽度减小，裂纹敏感度降低。此外，由于γ′相的部分溶解，观察到接头热影响区的硬度略微下降。

相比于电子束焊，激光焊虽然存在激光束的能量转换率较低的问题，但焊前无需对焊件进行去磁处理，也不需要在真空环境下进行焊接，具有很大的发展空间。美国普惠公司已实现对PW2037、PW4000等型号发动机的机匣、导向叶片等构件的激光自动焊接。

2.1.4 等离子弧焊

等离子弧焊通过在钨极和喷嘴或工件之间施加足够电压使气体电离形成自由电弧，在喷嘴，冷气流和磁场的压缩作用下，形成气体充分电离，能量高度集中的等离子弧进行焊接；其焊接能量密度高，热输入量小，焊接变形较小，裂纹敏感度低，能在焊接电流较小的情况下维持稳定电弧。

Su等人对IN 738LC高温合金构件在等离子弧焊修复后的拉伸强度进行了研究。结果表明，采用低热输入量的等离子弧焊工艺，可通过优化焊接参数将热影响区裂纹敏感性降到最低。此外在焊前进行预热处理可有效提高合金的可焊性。在高温环境下，等离子弧焊焊接试样的抗拉强度达到了母材的96%，而室温下只有母材的抗拉强度的80%。

郭必新等人采用等离子弧焊工艺对6mm厚GH132高温合金板进行焊接。研究发现，在较快的焊接速度下，焊接接头的热影响区较小，焊缝成形美观，性能也较好；其接头力学性能与氩弧焊接头相近，但具备更好的抗腐蚀能力和热稳定性。

等离子弧焊对工作环境要求低，能量转换率高，目前多用于发动机压气机和涡轮叶片的加工，如GE90、V2500、CFM56等型号发动机的压气机叶片已实现等离子弧焊修复。

2.1.5 熔化焊研究现状

现有研究结果表明，高温合金的熔化焊工艺的研究和应用已较为成熟，虽然焊接过程中易出现微观组织偏析，γ′颗粒、γ′/γ共晶和碳化物（MC）的析出造成液化开裂等缺陷，导致接头性能恶化，但通过焊前热处理和调整合适的焊接工艺参数等方法，可有效抑制裂纹和脆性相的产生，提高合金的焊接接头性能。其中电子束焊、激光焊和等离子弧焊同属高能束流焊接，能量密度高，焊接热输入集中，热影响区较窄，焊后变形小，已在航空发动机制造加工和维修领域被广泛应用。

2.2 固相焊

2.2.1 摩擦焊

摩擦焊是在压力作用下，通过待焊界面相互摩擦运动产生的热量使材料界面发生塑性形变和相对扩散，最终实现焊接的工艺；其焊接接头质量较好，可对异种材料进行焊接，自动化程度高，不容易产生热裂纹。惯性摩擦焊、线性摩擦焊和搅拌摩擦焊是目前应用最广的三种摩擦焊方法。

Vishwakarma等人研究了Allvac718 Plus高温合金的线性摩擦焊和焊后热处理后的显微组织。结果发现：焊缝区域由细小的重结晶晶粒组成，虽然在热影响区观察到第二相析出物的液相反应，但与常规熔焊工艺不同，线性摩擦焊一般不会导致合金的热影响区液化开裂。这是由于焊接过程中施加的压应力抑制了裂纹的产生和扩展。

季亚娟等人研究了DD6单晶高温合金/FGH粉末高温合金异种材料线性摩擦焊的焊接性能。结果表明：两种合金的焊接接头成形良好，焊缝区析出细小球状γ′相，焊缝组织致密，接头拉伸性能与DD6单晶合金母材相当。

Smith等人对在役损伤的IN718高温合金航空涡轮叶盘的线性摩擦焊修复效果进行了评估。在焊接修复过程中，没有出现氧化物、孔洞和低熔点相的液化，这可能与摩擦焊过程中较低的过程温度，施加的压力负载和较小的沉淀物尺寸有关；焊后热处理改善了材料的力学性能，这可能与γ′′相体积分数较大，焊接界面的δ相完全溶解有关。研究结果验证了线性摩擦焊应用于IN718高温合金工件修复的可行性。

摩擦焊多适用于圆截面的焊接，但也可对非圆截面和板材进行焊接；由于不需要通过熔化母材进行焊接，因此不会引发液化裂纹的萌生，焊接接头性能较好。GE公司研发的航空发动机，如GE90、波音787的新一代发动机GEnx，和P&W联合研发的A380用发动机GP7200的高压压气机转子等转动件均采用惯性摩擦焊进行焊接，GE公司和R.R.公司的部分型号发动机则采用了线性摩擦焊对整体叶盘进行制备。

2.2.2 扩散焊

扩散焊是在一定的高温和压力环境下，焊接接触表面发生微观塑性形变，生成瞬时液相，原子间相互扩散渗透，最终实现焊接的工艺。其焊接接头强度高，变形小，不存在明显的焊缝，没有过热组织，接头性能与母材无太大区别。

张蕾等人采用自制中间层对定向凝固高温合金DZ125(TLP-DB)试样进行液相扩散焊，获得了连续完整的焊接接头，中间层和母材界面基本消失。对焊接接头断裂韧性的研究发现：采用自制中间层在1240℃/6h的规范下可以实现DZ125合金的可靠过渡液相扩散连接。在950℃高温环境下，焊接接头的断裂韧性有较明显的下降，抗脆性断裂的能力要弱于母材的，可通过延长保温时间等方法优化工艺，以实现焊接接头与母材的均质化。

Liu等人进行了DD3单晶高温合金与GH4169变形高温合金的扩散焊研究。由于浓度梯度的作用，焊接接头形成了35μm宽的扩散区，从DD3合金母材区到扩散区，γ′相的形态从长方状转变成较小的柱形；且扩散区内的γ′相尺寸细化，要小于在DD3母材区的，因此扩散区的硬度高于其他区域的，达到了6.4GPa。接头平均剪切强度为433MPa，低于母材强度，断口韧窝较多，呈塑性断裂。

王瑶等人采用含Si的BNi-5的中间层合金对CMSX-4单晶高温合金进行TLP焊接。对比研究发现：采用1200℃、5kN、20min的焊接工艺参数获得的焊接接头组织分布更均匀，性能最佳；接头的室温抗拉强度达到了母材的95%，在760℃的高温环境中抗拉强度达到了母材的 99%。温度对接头的性能有明显影响，随温度上升，接头界面的孔洞明显减少，但温度过高时Al元素会由母材扩散至接头处形成富Al化合物，大大降低接头强度；此外，保温时间延长会促进Si元素的完全扩散，提高TLP接头强度。

Lin等人研究了焊接工艺参数对GH4099变形高温合金扩散焊接头组织和力学性能的影响。研究表明：较高的键合温度和较长的键合时间有利于接头区低熔点的B和Si元素向母材扩散，1170℃下粘结24h后，接头和母材的化学成分和微观结构基本相同；且随着粘结时间的增加，焊接接头的室温和高温的剪切强度均提高。

扩散焊的焊接质量高，接头组织与性能与母材相当，可用于异种材料的焊接，也适用于焊接性较差的高温合金的焊接，包括定向凝固高温合金和单晶高温合金。目前在航空发动机领域，主要采用将扩散焊与超塑成型相结合制备空心离心叶轮、涡轮导向叶片等构件。

2.2.3 固相焊研究现状

与传统的熔化焊工艺相比，高温合金固相焊的焊接设备较复杂，成本较高，对焊接工件的表面有一定要求。但是，由于固相焊是在母材未熔化的情况下进行焊接，不会发生液化开裂；焊接接头呈现为细晶组织，接头的力学性能和母材相当。固相焊对焊接性较差的高温合金依旧有良好的焊接表现，且适用于异种材料的焊接，焊接接头性能优于熔化焊，因此多用于航空发动机关键部位如转子和叶盘等构件的加工修复。

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结语

近年来，高温合金焊接工艺的研究已取得较大进展，在航空发动机制造维修领域中的应用也已较为成熟。对于钨极氩弧焊、电子束焊、激光焊和等离子弧焊这类熔化焊，虽然高温合金中合金化元素较多，致使焊接过程中易出现晶界液化产生裂纹和析出脆性相，但研究表明，通过焊前预热处理和调整合适的焊接工艺参数等方法可有效抑制裂纹和脆性相的产生，提高合金的焊接接头性能。熔化焊，尤其是高能束焊的应用性较广，目前已应用于高温合金叶片的焊接修复等加工。

对于扩散焊以及摩擦焊这类固相焊而言，虽然存在设备较复杂，对工件有一定要求以及成本问题等限制，但焊接接头性能较高，适用于对焊接件性能要求较高的工件如转子的加工。实际加工维修过程中，可根据航空发动机构件的不同工作条件和性能要求选择适合的焊接工艺进行加工修复。

（热加工工艺 热加工工艺）

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