方嵐楓 鄭醫(yī) 王鐵海 張宇慧 宋健 黃鵬躍 陳健 祁成雷 張旭 戎漪婷 陳紅艷

摘要：采用釬料BNi94SiB980-1065，在釬焊規(guī)范為1 130 ℃/10 min的條件下，通過調(diào)整工裝配重質(zhì)量，對(duì)Z8CND17-04材料第二級(jí)擴(kuò)壓器進(jìn)行真空釬焊;同時(shí)，借助金相顯微鏡和超聲波檢測(cè)儀，分析了真空釬焊前后葉片高度變化、釬縫質(zhì)量和釬透率。結(jié)果表明，當(dāng)工裝配重為56 kg時(shí)，釬縫質(zhì)量較差，零件翹曲達(dá)到0.75 mm;隨著工裝質(zhì)量的增加，釬縫質(zhì)量和零件翹曲都有所改善;當(dāng)工裝配重達(dá)到94 kg時(shí)，葉片高度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，獲得釬焊接頭質(zhì)量良好，零件翹曲控制在0.5 mm以內(nèi)，釬透率達(dá)到90%以上。

關(guān)鍵詞：工裝配重;第二級(jí)擴(kuò)壓器;真空釬焊;葉片高度;釬透率

中圖分類號(hào)：TG454? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0094-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.17

0? ? 前言

擴(kuò)壓器零件是航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件的關(guān)鍵件，為燃燒室提供高壓氣體[1]，此類零件的氣流流道面積或高度與渦輪工作相匹配，其大小直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[2]。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有第一級(jí)徑向擴(kuò)壓器和第二級(jí)徑向/軸向擴(kuò)壓器[3]，通常擴(kuò)壓器零組件都是通過真空釬焊的方式將兩個(gè)復(fù)雜的薄壁零件連接在一起[4]，真空釬焊已成為擴(kuò)壓器加工制造的重要手段之一[5]，在實(shí)際的真空釬焊工藝中，釬料熔化時(shí)[6]，通過釬焊技術(shù)調(diào)節(jié)流道面積或葉片高度，從而保證擴(kuò)壓器零組件的流道面積或葉片高度。

釬透率與葉片高度是衡量擴(kuò)壓器零組件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。葉片高度（喉道面積）控制在規(guī)定范圍內(nèi)，真空釬焊釬縫組織良好，真空釬焊區(qū)域的釬透率不小于85%，除真空釬焊工藝規(guī)范外，工裝配重也是控制擴(kuò)壓器真空釬焊變形的主要因素[7]，是大尺寸薄壁擴(kuò)壓器零組件加工技術(shù)研究的重要課題之一。

文中采用釬料BNi94SiB980-1065對(duì)第二級(jí)擴(kuò)壓器（母材Z8CND17-04）進(jìn)行真空釬焊。通過對(duì)第二級(jí)擴(kuò)壓器的蓋板與葉片盤真空釬焊釬縫質(zhì)量、釬透率和真空釬焊前后葉片高度進(jìn)行深入分析，研究和探索不同工裝配重對(duì)真空釬焊質(zhì)量的影響和變形控制規(guī)律，解決大尺寸薄壁擴(kuò)壓器零組件真空釬焊變形問題，提高一次加工合格率，從而降低航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件的制造成本。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆牟捎贸恋碛不讳P鋼Z8CND17-04（相當(dāng)于國產(chǎn)17-4PH材料），其化學(xué)成分如表1所示。C、S含量使用CS-2800型碳硫分析儀，其他元素使用ICP-OES分析設(shè)備。

試驗(yàn)所用釬料牌號(hào)為BNi94SiB980-1065，標(biāo)準(zhǔn)為AMS4779[8]，其主要化學(xué)成分如表2所示，釬料狀態(tài)為粘帶狀和膏狀，蓋板與葉片盤的釬焊位置用粘帶狀釬料連接，葉片盤的榫頭與蓋板的釬焊位置用膏狀釬料連接。第二級(jí)擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)釬料制備

1.2.1 粘帶狀釬料加工

根據(jù)葉形尺寸采用激光切割機(jī)編程，選用牌號(hào)為BNi94SiB980-1065的粘帶狀釬料，規(guī)格0.23 mm×10 mm，將粘釬料平鋪在厚度為4 mm的鋼板上，釬料兩側(cè)用A形夾固定，然后根據(jù)設(shè)置的程序切割粘帶狀釬料，釬料的尺寸根據(jù)葉形尺寸沿周向擴(kuò)寬1.7 mm。加工后的葉形釬料實(shí)物如圖2所示。

1.2.2 膏狀釬料制備

將BNi94SiB980-1065粉末狀釬料與三氯乙烯和樹脂的混合物粘結(jié)劑按照10∶1的質(zhì)量比放置在專用器皿內(nèi)，其中粘結(jié)劑質(zhì)量在±0.2 mm的范圍內(nèi)調(diào)整，然后用玻璃棒攪拌成糊狀，攪拌時(shí)間不少于1 min，配置好的釬料需要靜置30 min后才能使用。膏狀釬料制作示意如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.3.1 待焊零件的裝配

將切割后的釬料粘貼到蓋板待釬焊面上，粘貼時(shí)使用簡易夾具保證釬料葉形孔與蓋板葉形孔相配。釬料粘貼完成后，去掉簡易夾具，用薄鋼片壓實(shí)釬料，保證釬料與蓋板緊密貼合，最后取下釬料表面塑料薄膜，將蓋板裝配在葉片盤上，裝配時(shí)對(duì)齊蓋板的零位孔與葉片盤的零位孔，裝配過程中應(yīng)戴干凈橡膠手套，不允許赤手拿/摸零件。裝配完成后，用塞尺檢查葉片榫頭位置間隙，塞尺插入量不能過大，以防止釬料破損。裝配后的第二級(jí)擴(kuò)壓器實(shí)物如圖4所示。

1.3.2 待焊前后葉片高度測(cè)量

葉片高度測(cè)量是從零位葉片前緣開始，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)按照測(cè)量前標(biāo)識(shí)數(shù)字從1開始由小到大順時(shí)針依次測(cè)量，從內(nèi)徑到外徑，每個(gè)葉片在4個(gè)不同的直徑處分別測(cè)量一點(diǎn)，真空釬焊前將葉片高度控制在7.63±0.02 mm范圍內(nèi)，真空釬焊后喉道高度控制在7.65～7.71 mm范圍內(nèi)，從而保證真空釬焊后喉道面積。第二級(jí)擴(kuò)壓器葉片高度測(cè)量示意如圖5所示。

1.3.3 真空釬焊過程

將第二級(jí)擴(kuò)壓器與夾具底座一同放入真空釬焊爐中，在石墨底座下方墊石墨墊塊，保證零件高度處于均溫區(qū)中心，然后在零件上放石墨環(huán)，放置內(nèi)側(cè)石墨環(huán)時(shí)應(yīng)注意石墨環(huán)上的槽與葉片榫頭對(duì)應(yīng)，防止石墨環(huán)壓在釬料上，再將配重環(huán)放到石墨環(huán)上。工裝配重示意如圖6所示。

真空釬焊設(shè)備采用美國臥式BM2097型號(hào)真空釬焊爐，真空室為900 mm×900 mm×1 060 mm。采用釬料牌號(hào)為BNi94SiB980-1065，在1 130 ℃/10 min的條件下，真空釬焊沉淀硬化不銹鋼Z8CND17-04材料的第二級(jí)擴(kuò)壓器，真空釬焊熱循環(huán)曲線如圖7所示。

1.3.4 超聲檢測(cè)

利用水浸脈沖反射法對(duì)第二級(jí)擴(kuò)壓器的真空釬焊接頭進(jìn)行超聲波檢查，評(píng)估真空釬焊釬縫的釬透率。超聲波儀器型號(hào)為LS-200LP，探頭頻率為15 MHz。第二級(jí)擴(kuò)壓器真空釬焊接頭的超聲波檢測(cè)區(qū)域示意如圖8所示，蓋板和葉片盤的連接區(qū)域?yàn)锳區(qū)域，A區(qū)域的未焊透長度≤10 mm;蓋板和葉片榫頭的連接區(qū)域?yàn)锽區(qū)域，B區(qū)域的未焊透長度≤4 mm。

對(duì)真空釬焊后的第二級(jí)擴(kuò)壓器試件進(jìn)行解剖，從零點(diǎn)開始沿圓周間隔120°的位置截取一個(gè)釬縫試樣，共截取3個(gè)試樣，磨制金相試樣，將制得的試樣進(jìn)行金相檢測(cè)，檢測(cè)釬縫組織和釬角尺寸。金相試樣用腐蝕溶液為25 g/L Cu2Cl2+50% C2H5OH+

50%HCl，室溫下腐蝕1～3 min。試樣顯微組織和釬角尺寸檢測(cè)設(shè)備采用日本OLYMPUS-GX71金相分析儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工裝配重對(duì)葉片高度的影響

第二級(jí)擴(kuò)壓器真空釬焊前，對(duì)葉片盤的葉片高度均控制在7.63 mm的中差值及以下，預(yù)留釬縫寬度裕度，其他尺寸均嚴(yán)格控制，從而保證真空釬焊后第二級(jí)擴(kuò)壓器組件的釬縫質(zhì)量和葉片高度（相當(dāng)于喉道高度），進(jìn)而滿足組件的尺寸精度。

當(dāng)工裝配重為56 kg時(shí)，如圖9a所示，真空釬焊后在φ350 mm直徑及以上的葉片高度局部位置出現(xiàn)偏高現(xiàn)象，在喉道1的葉片高度出現(xiàn)畸變點(diǎn)，該位置為零位，距臥式真空爐爐門最近，在相同條件下，該位置受熱不均。同時(shí)在φ350 mm直徑及以上位置處的工裝配重質(zhì)量不平衡，導(dǎo)致變形較大，零件翹曲達(dá)0.75 mm?？紤]在φ350 mm直徑及以上位置增加配重環(huán)，達(dá)到零件自重平衡，控制真空釬焊后變形。

當(dāng)工裝配重為68 kg時(shí)（見圖9b），在φ350 mm直徑仍然變形較大，高溫時(shí)外徑接受熱輻射的能力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜變形越大，但在φ380 mm直徑的變形開始減小，變形控制向好的趨勢(shì)發(fā)展，零件翹曲由0.75 mm變成0.68 mm。

當(dāng)工裝配重為82 kg時(shí)（見圖9c），葉片高度可以控制在7.65～7.71 mm的范圍內(nèi)，零件翹曲控制在0.60 mm以內(nèi)，但葉片（喉道）高度的焦點(diǎn)仍在φ350 mm直徑上，該位置壁厚較薄，抗變形能力較差，尤其是受熱不均時(shí)更加明顯，因此要考慮工裝配重在各位置的質(zhì)量和吸收放熱能力。

當(dāng)工裝配重為94 kg時(shí)（見圖9d），葉片高度可控，零件翹曲控制在0.5 mm以內(nèi)，葉片高度在φ350 mm直徑及以上位置處的變形大幅減小，由于爐門位置增加密封，爐溫均勻性和系統(tǒng)精度嚴(yán)格控制，真空釬焊環(huán)境改善，工裝配重趨于平衡，零件的真空釬焊變形可控，真空釬焊工藝及控制過程趨于穩(wěn)定。

2.2 工裝配重對(duì)釬縫質(zhì)量的影響

根據(jù)第二級(jí)擴(kuò)壓器真空釬焊前后的葉片高度和喉道高度的控制要求，釬縫寬度應(yīng)控制在10～100 μm之間，釬縫過窄過寬均會(huì)影響釬縫的質(zhì)量和接頭拉伸強(qiáng)度。

采用真空釬焊規(guī)范為1 130 ℃/10 min，不同的工裝配重條件下，在A區(qū)相同直徑的位置處截取金相試樣，評(píng)估釬縫內(nèi)部質(zhì)量、金相組織和釬縫尺寸。在不同的工裝配重下，釬焊接頭結(jié)構(gòu)均以基體+擴(kuò)散層+釬縫+擴(kuò)散層+基體的形式存在，如圖10所示。在工裝配重為56 kg條件下，接頭寬度達(dá)到約220 μm，其中釬縫寬度約為163 μm，釬料向母材擴(kuò)散較均勻，擴(kuò)散層厚度分別約為30 μm和27 μm，釬透率較低，釬縫中有較大孔洞，如圖10a所示。主要原因是工裝配重不足，間隙不均，造成配重質(zhì)量不平衡，在短時(shí)間內(nèi)釬料來不及填充，在凝固過程中形成缺陷。同時(shí)，真空釬焊接頭較寬，當(dāng)釬縫太寬時(shí)，會(huì)形成較多深色鎳的硼化物，并彌散在釬縫中。

當(dāng)工裝配重為94 kg并平衡配重時(shí)，如圖10b所示，接頭寬度約為47 μm，其中釬縫寬度約為19 μm，釬料向蓋板和葉片盤擴(kuò)散的層厚分別約15 μm和13 μm，擴(kuò)散層厚均勻。在很短的時(shí)間內(nèi)，母材與釬料互相溶解擴(kuò)散的過程中，釬料填充飽滿，工裝配重適宜，形成釬縫變窄，釬縫與母材的界面結(jié)合良好，獲得釬縫質(zhì)量良好。

2.3 超聲檢測(cè)結(jié)果

在工裝配重為94 kg，真空釬焊規(guī)范為1 130 ℃/10 min條件下，對(duì)蓋板和葉片盤的連接的A區(qū)域與蓋板和榫頭連接的B區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)釬縫質(zhì)量良好，A區(qū)域的釬縫光滑，A區(qū)域和B區(qū)域均被釬料填滿，釬透率達(dá)到釬透率達(dá)到90%以上。

3 結(jié)論

真空釬焊第二級(jí)擴(kuò)壓器時(shí)，使用自然配重環(huán)作為真空釬焊工裝，經(jīng)過大量工藝迭代試驗(yàn)，深入分析了釬縫質(zhì)量、釬透率以及不同工裝配重對(duì)第二級(jí)擴(kuò)壓器真空釬焊質(zhì)量影響，保證第二級(jí)擴(kuò)壓器真空釬焊質(zhì)量和尺寸精度。

（1）在真空釬焊規(guī)范1 130 ℃/10 min條件下，隨著工裝配重的增加，由56 kg至94 kg時(shí)，第二級(jí)擴(kuò)壓器真空釬焊的釬縫質(zhì)量和零件翹曲都有所改善。

（2）在相同規(guī)范下，當(dāng)工裝配重為56 kg時(shí)，真空釬焊變形較大，零件翹曲達(dá)到0.75 mm，獲得的釬焊接頭寬度較寬，達(dá)到163 μm，釬縫質(zhì)量較差。

（3）當(dāng)工裝配重達(dá)到94 kg時(shí)，真空釬焊變形減小，零件翹曲控制在0.5 mm以內(nèi)，葉片高度可控，獲得釬縫質(zhì)量良好，接頭寬度約為47 μm，釬透率達(dá)到90%以上。

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