发布日期：2025-10-29 19:48:33
引言
高温合金是一种以 Fe、Ni、Co 为基，可在 600℃以上高温下保持力学稳定性，其具有良好的抗氧化、抗腐蚀性能，以及良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。按照基体的不同，划分为镍基高温合金、铁基高温合金、钴基高温合金等，其中镍基高温合金又分为耐热合金、耐腐蚀合金、耐磨合金、精密合金及形状记忆合金等种类。镍基高温合金目前被广泛应用于航天航空、化工设备、能源设备、医疗器械、电子工业及建筑领域等 [1-2]。
GH4738 是一种加工塑性好、力学和微观组织性能稳定的镍基高温合金，可应用于航空涡轮盘、导叶内环等大构件的主材 [3]。GH3536 是一种冷热加工性能良好、热强性高的镍基高温合金，在航空发动机上应用较为广泛 [4]。如果将 2 种合金进行有效连接，可充分发挥各自的性能优势，从而实现在航天航空领域更广阔的应用。钎焊具有如下优势 [5-8]：①加热温度低，接头更平滑，变形小，适合加工精密器件；②可对同种金属或者异种金属进行焊接；③可对多个焊件、多个接头同时进行焊接，生产效率较高；④焊接设备简单，经济性好。然而，钎焊也存在一定的缺陷，钎焊接头的强度和耐热性较差，限制了其应用，因此，提高钎焊接头的相关性能格外重要。
本文针对 GH4738 和 GH3536 这 2 种镍基高温合金，采用真空钎焊工艺对其进行焊接，通过试验探讨了多种参数对接头抗剪强度和微观组织的影响，确定了相对较优的 2 种镍基高温合金钎焊工艺参数，可为 2 种合金在航天航空中的进一步应用提供借鉴。
1、试验概况
1.1 试验材料
GH4738 合金主要化学成分见表 1。该型号合金采用真空感应熔炼 + 电渣重熔 + 真空自耗重熔的三联工艺方式进行熔铸，然后采用热轧开坯工艺将合金锻造为所需要的坯料，最后通过固溶 (1020℃×4 h∕油冷)+ 时效 (845℃×4 h∕空冷 + 760℃×16 h∕空冷) 的热处理方式进行处理。
表 1 GH4738 合金主要化学成分 (质量分数)（%）
| C | Co | Mo | Ti | Al |
| 0.06 | 13.5 | 3.15 | 1.9 | 1.4 |
GH3536 合金主要化学成分见表 2。该型号合金采用真空感应熔炼 + 电渣重熔工艺方式进行熔铸，然后将其进行固溶 (1175℃×4 h∕油冷)+ 时效处理 (850℃×4 h∕空冷 + 780℃×16 h∕空冷)，最后经冷轧、退火、波纹带制作、点焊等工艺制作成蜂窝状结构。
表 2 GH3536 合金主要化学成分 (质量分数)（%）
| C | Cr | W | Mo | Fe | B | Ni |
| 0.1 | 22 | 1.5 | 9.0 | 19.855 | 0.005 | 47.445 |
BNi-2 钎料主要化学成分见表 3。
表 3 BNi-2 钎料主要化学成分 (质量分数)（%）
| C | Si | B | Fe | Ni |
| 0.06 | 4.5 | 3.08 | 3.0 | 余量 |
1.2 试验方案
本次试验采用真空钎焊工艺 [9-10]，影响钎焊质量的因素包括钎焊温度、钎焊保温时间及钎焊接头间隙等，钎焊温度设置 1030、1040、1050、1060、1070℃ 5 种情况，钎焊保温时间设置 10、40、180 min 3 种情况，钎焊接头间隙设置 30、50、100 μm 3 种情况，具体试验方案见表 4。
表 4 真空钎焊试验方案
| 试验编号 | 钎焊温度 ∕℃ | 钎焊保温时间 ∕min | 钎焊接头间隙 ∕μm |
| S1~S5 | 1030、1040、1050、1060、1070 | 10 | 100 |
| S6~S8 | 1040 | 10、40、180 | 100 |
| S9~S11 | 1040 | 10 | 30、50、100 |
1.3 试验方法
(1) 采用电火花线切割法将 GH4738 合金和 GH3536 合金统一切割成 50 mm×20 mm×2 mm 的薄片；
(2) 采用机械法去除合金表面的加工痕迹和氧化皮等杂质，并打磨光滑；
(3) 采用丙酮和酒精依次对清理的合金进行清洗，尤其要对焊接部位进行仔细清洗；
(4) 在 2 个合金之间夹放钎料，完成焊接合金的装配定位，并沿着钎缝周围涂敷钎料；
(5) 按照表 4 试验方案分别进行接头真空钎焊加工，如图 1 所示；
(6) 对焊后试件进行微观组织扫描和抗剪强度试验。
2、钎焊温度的影响
2.1 钎焊温度对接头抗剪强度的影响
接头抗剪强度和 GH4738 合金晶粒大小随钎焊温度的变化规律如图 2 所示。由图 2 可知：随钎焊温度增大，接头抗剪强度未呈现明显的变化趋势，在 1030~1070℃钎焊温度下，接头抗剪强度在 309~325 MPa 波动；当钎焊温度为 1040℃时，抗剪强度最大，达到 325 MPa。GH4738 合金平均晶粒大小分为两阶段变化特征，当钎焊温度为 1030~1050℃时，晶粒大小基本保持不变，在 45~48 μm 变化；当钎焊温度超过 1050℃，GH4738 合金的晶粒会迅速增大，从 48 μm 增大至 116 μm。
2.2 钎焊温度对接头微观组织的影响
不同钎焊温度接头的微观组织形态如图 3 所示。由图 3 可知：当钎焊温度较低时，GH3536 合金的蜂窝状结构保持得比较完整，随温度的升高，蜂窝状结构逐渐溶蚀到钎料中，当温度达到 1070℃后，GH3536 合金蜂窝状结构基本完全溶蚀；同时，GH4738 合金也会逐渐发生溶蚀，但溶蚀速度小于蜂窝状结构，当温度达到 1070℃后，GH4738 合金的溶蚀深度达到了 50 μm，因而蜂窝接头由丁字形转变为两侧明显的凹坑。当钎焊温度为 1040℃时，焊缝结构最为完整，且无明显的孔洞缺陷，同时抗剪强度相对最高，因而选取 1040℃作为 GH4738 合金和 GH3536 合金的钎焊温度。
3、钎焊保温时间的影响
3.1 保温时间对接头抗剪强度的影响
不同保温时间下接头抗剪强度试验结果如图 4 所示。由图 4 可知：当保温时间从 10 min 延长至 40 min 后，接头抗剪强度从 325 MPa 提升至 360 MPa，当继续延长保温时间至 180 min 后，钎焊接头的抗剪强度不再有明显变化，这是因为适当延长保温时间可降低非等温凝固区的面积，从而使焊缝的强度得到加强。从提升接头抗剪强度来讲，最佳保温时间为 40 min。
3.2 保温时间对接头微观组织的影响
不同钎焊保温时间下接头微观组织形态如图 5 所示。由图 5 可知：当保温时间为 10 min 时，GH3536 合金的蜂窝状结构还比较完整，但是当保温时间延长后，GH3536 合金的蜂窝状结构逐渐被溶蚀，完整性遭到破坏；当保温时间为 40 min 时，蜂窝状结构基本被破坏殆尽，而在 180 min 保温时间下，还出现了母材合金大面积溶蚀的现象，因此，保温时间不宜过长，以 10 min 为宜。
4、钎焊接头间隙的影响
4.1 接头间隙对接头抗剪强度的影响
不同接头间隙下钎焊接头抗剪强度试验结果如图 6 所示。由图 6 可知：随接头间隙增大，接头抗剪强度逐渐减小，从 30 μm 时的 436 MPa 降低至 100 μm 时的 325 MPa，降低幅度为 25.5%，这是因为降低接头间隙后，可有效消除和减少焊缝中心析出硼化物等有害相，导致焊缝实现等温凝固，因此在钎焊装配过程中应严格控制接头间隙，最好将接头间隙控制在 30 μm 以内。
4.2 接头间隙对接头微观组织的影响
不同接头间隙下钎焊接头的微观组织形态如图 7 所示。由图 7 可知：接头间隙为 100 μm 时，在接头中心区域与两侧存在明显区别，中间黑色区域为非等温凝固区，非等温凝固区主要由于元素扩散不充分所引起，故而接头间隙不宜过大；当接头间隙降至 50 μm 时，中间的非等温凝固区的宽度明显缩小，平均宽度由 50 μm 降至 20 μm；当接头间隙减小至 30 μm 时，中间的非等温凝固区基本消失，且钎料中降熔元素向两侧母材合金扩散的现象也明显减小。因此，接头间隙的减小不仅可实现等温凝固，还可减轻有害物质对母材合金的侵蚀，起到了很好保护母材本身性能的作用。
5、结论
针对 GH4738 和 GH3536 航空用镍基高温合金钎焊连接需求，采用真空钎焊工艺，探讨了钎焊温度、钎焊保温时间及钎焊接头间隙对钎焊接头抗剪强度和微观组织的影响，得出如下结论：
(1) 钎焊温度对接头抗剪强度的影响不大，但随钎焊温度的升高，GH4738 合金的晶粒会变大，溶蚀程度加剧；GH3536 合金的蜂窝状结构也会逐渐溶蚀到钎料中，不利于蜂窝状结构的完整性。
(2) 随保温时间适当延长，可提升接头的抗剪强度，但当保温时间延长后，蜂窝状结构和母材合金溶蚀越来越严重，不利于结构完整性。
(3) 接头间隙越大，非等温凝固区的宽度越大，抗剪强度越小，且焊缝中心的有害物向母材合金扩散越明显。
(4) GH4738 和 GH3536 合金的最佳钎焊工艺参数为：钎焊温度 1040℃，保温时间 10 min，接头间隙不大于 30 μm。
参考文献
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（注，原文标题：航空用镍基高温合金钎焊连接工艺优化研究）
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