DD5单晶高温合金钎焊接头的微观组织和力学性能分析

DD5单晶高温合金钎焊接头的微观组织和力学性能分析

孙 元， 侯星宇， 金 涛， 周亦胄

(中国科学院金属研究所 高温合金研究部，沈阳 110016)

摘 要：采用Co基钎料在1 180 ℃/60 min条件下钎焊DD5镍基单晶高温合金，利用SEM，EPMA分析接头的显微组织，讨论接头的焊缝间隙对显微组织和相分布的影响. 结果表明，当钎焊间隙为10 μm时，焊缝组织与母材相似，由γ和γ′相构成，其中弥散分布着细小的M3B2相；随焊缝间隙的增加，焊缝中形成骨架状M3B2相，富钴的γ-Ni，Ni-Si化合物等脆性相；当焊缝间隙大于200 μm时，焊缝中间形成球状的钴基固溶体，在钴基固溶体之间分布着多种化合物相. 对接头进行高温拉伸性能测试可知，随着钎焊间隙减小，接头的高温性能提高，接头在870 ℃的抗拉强度最高可达到792 MPa.

关键词：单晶高温合金；钴基钎料；焊缝间隙；钎焊显微组织；力学性能

0 序 言

国内研制的含铼镍基单晶高温合金DD5综合性能优异，现已推广应用，具有广阔的应用前景. 开展DD5单晶合金连接技术分析不仅可以实现复杂零部件的连接，还可对存在缺陷和损伤的叶片进行修复，有效提高航空发动机的工作可靠性和经济性，具有重要的工程应用价值[1,2].

分析DD5单晶合金的特性发现，该合金C元素含量较高，且含有钨，钼，钽，铗等难熔金属，可焊性较差. 真空钎焊技术加热温度较低，组织变化小，变形小，形状适应性好，且设备简单，生产效率高，成本低廉，是单晶高温合金最常用的连接方法[3-5]. 目前，关于单晶高温合金钎焊分析较少，多针对于钎料的选择和工艺参数优化，这是实现单晶合金可靠连接的关键问题，但在实际工程应用中，被连接部件受到机械加工精度的影响，焊缝的宽度和形状难以控制，焊缝间隙对接头的微观组织和力学性能的影响也不容忽视.

文中采用含有B和Si两种降熔元素的钴基钎料钎焊镍基单晶高温合金，通过讨论接头的显微组织及相组成，分析焊缝间隙对钎焊接头的微观组织和力学性能的影响，深入分析接头的形成机制，并提出有效控制脆性化合物并获得优异高温力学性能的接头的连接方法.

1 试验方法

在文中钎焊分析中，被连接母材为国内研制的第二代镍基单晶高温合金DD5，其主要化学成分见表1. 本课题组采用选晶法在定向凝固炉中制备的(001)取向的单晶棒，利用线切割机沿垂直于DD5单晶棒(001)方向切割成待焊样品，再利用储能点焊机将DD5母材之间的焊缝间隙分别控制为10，100，200和500 μm.

表1 DD5单晶合金与钴基钎料的化学成分(质量分数，%)

Table 1 Compositions of DD5 single crystal superalloy and Co-based braze alloy

元素CCrCoWAlTaDD50.03～0.086～87～94～66～86～8钎料-18～20余量4～5--元素MoHfBReNiSiDD52～40.1～0.20.001～0.083～4余量-钎料--2～3-15～177～9

文中所用的钎料为利用超声气体雾化法获得的钴基粉末钎料Co-Ni-Cr-W-B-Si，颗粒度为300目，主要成分如表1所示. 将准备好的粉末钎料与有机胶混合，调匀，放置于被连接母材周围，使钎料熔化后可通过毛细作用流入待焊间隙.

将装配好的样品放入真空钎焊炉中，以20 ℃/min的速率将待焊试样加热至500 ℃，保温20 min，再以20 ℃/min的速率加热至钎焊温度1 180 ℃，并保温60 min，最后随炉冷却. 在钎焊过程中，钎焊炉中的真空度保持在8.0×10-3～1.0×10-3 Pa.

利用扫描电子显微镜(SEM)观察接头的显微组织，并采用电子探针(EPMA)对接头的元素分布和相成分进行分析，确定焊缝的相组成. 为了对接头的高温性能进行评定，使用岛津AG-25KNE型拉伸试验机测试不同间隙接头在870 ℃的高温拉伸强度，每个测试条件共准备三件试样，测试结果为平均值.

2 试验结果及分析

2.1 钎焊间隙对接头显微组织的影响

图1为采用钴基钎料在1 180 ℃/60 min条件下钎焊不同宽度焊缝间隙的显微组织照片，对比不同间隙的焊缝发现，该钎料合金针对不同间隙的焊缝均可实现良好的连接，焊缝组织均匀，界面处无裂纹. 在相同的工艺条件下，随着焊缝间隙的增加，焊缝中的化合物相增多，尤其是硼化物相由细小的颗粒状变为骨架状.

如图1a所示，当焊缝间隙为10 μm时，焊缝的微观组织形貌与母材相似，取向相同，熔合区实现良好的连接. 利用EPMA对焊缝的成分进行分析. 结果表明，焊缝中的灰色相与母材的成分相似，含(原子分数，%)57.2的镍，12.1的钴，4.5 的铝，11.9的铬，以及少量的钨，铗，钽等难熔元素，可见焊缝与母材的元素充分扩散，焊缝形成了与母材相同γ-Ni基体和γ′强化相. 这是由于焊缝间隙较窄，元素扩散通道短，在钎焊过程中B，Si元素均匀扩散至母材中，母材中的元素也向焊缝中熔解，钎料合金的熔点升高，在保温过程中以母材为形核基体，等温凝固形成γ-Ni初生相，其取向与母材一致；同时，母材中的Al元素扩散至焊缝中，γ-Ni中均匀析出γ′强化相，但焊缝区中的γ′相比母材中细小，且呈不规则的形态. 另外，在靠近焊缝与母材的界面处可观察到细小的白色块状相，根据EPMA成分分析，该相含有(原子分数，%)35.3的硼， 25.1的钴，11.2的镍，和15.2的钨，以及少量的钼和钽，结合以前的分析结果，该相应为M3B2型硼化物相[2,6-8].

当焊缝宽度增加至100 μm时(见图1b)，焊缝为多晶组织，在晶界处形成块状的化合物相，根据EPMA成分分析，灰色的基体相主要成分为Ni元素，含有(原子分数，%)28.2的钴和15.8的铬，5.9的Al，结合相图可知该相为富铬的γ-Ni相. 另外，晶界处的白色相和细小的链状相均与图1a中的白色块状相成分相同，为M3B2相. 靠近母材界面处可观察到少量细小γ′强化相，以及弥散分布的颗粒状相，如图2所示，这些细小析出相仍为M3B2相. 由焊缝的相组成可以推断出，在保温过程中，随着B，Si元素向母材中的不断扩散，钎料中的Co元素也在浓度梯度的作用下向母材中扩散，焊缝中的Co元素含量降低，但仍高于母材中的Co元素含量. 液相钎料在保温过程中等温凝固，在保温结束前，焊缝组织完全凝固形成多晶的富钴的γ-Ni相，将少量硼化物相推挤到晶界处. 靠近母材的界面处(也称为元素扩散区)形成的细小M3B2相主要是由于B元素在Ni中的溶解度极小，其扩散至母材中，易偏聚于W，Mo,等高熔点元素附近，与其发生反应并析出M3B2相，通常与母材存在共格关系[9].

图1 钎焊间隙对DD5合金接头微观组织形貌的影响

Fig.1 Effect of braze seam thickness on microstructure of DD5 superalloy joint

图2 元素扩散区中的M3B2相

Fig.2 M3B2 phase in the element diffusion zone

随着焊缝间隙的进一步增加，焊缝间隙达到200 μm以上时，焊缝的显微组织明显不同，生成了球形的相及骨架状的化合物相. 利用EPMA对各生成相进行分析可知，在靠近母材的熔合区中形成的灰色相仍为初生的γ-Ni相，而在焊缝中间形成的灰色球形相主要成分为(原子分数，%)35.1的Co，37.2的Ni，16.6的Cr和4的Si等元素，由相图可确定其为富Ni的Co基固溶体；除此之外，在Co基固溶体中间可以观察到白色或灰色的骨架状化合物相，白色骨架状相主要由B，Cr，Co，W及少量的Mo等元素，应为M3B2型硼化物和γ-Ni的共晶相，如图3所示；而灰色的骨架状化合物的主要成分的(原子分数，%)为38.1B,37.6Cr,10.5Ni,8.0W，该相为CrB化合物和γ-Ni的共晶相. 在球形固溶体之间的界面处还可观察到深灰色的相，对其成分分析发现，该相主要成分为Ni，Co，Cr,且Si的原子原子分数含量达到10%以上，应为一种富Co,Cr的Ni-Si化合物相. 结合各相的成分分析可知，在焊接过程中，由于元素的扩散距离增加，B，Si以及Co元素均未在钎焊过程中充分扩散至母材中，因此只在靠近母材区域观察到一层等温凝固形成的初生γ-Ni相，而在γ-Ni相之间，随着降熔元素的消耗，Co基固溶体也在液相中形核并长大，固/液界面向四周推移，残余的液相以及液相中形成的化合物相不断被推挤到界面前沿，直到保温过程结束，残余的液相在降温过程中形成共晶组织，富Ni[Si]固溶体和Co基固溶体，硼化物相也在降温过程中长大，形成了如图3所示的Ni基固溶体和M3B2型硼化物共晶相. 据分析该相的相变温度为1 200 ℃，因此该接头的使用温度不能超过1 200 ℃[2].

图3 焊缝中的γ-Ni与M3B2共晶相

Fig.3 Eutectic phase of γ-Ni and M3B2 phase in the seam

2.2 钎焊间隙对接头力学性能的影响

图4为不同钎焊间隙的接头在870 ℃的拉伸性能曲线. 从图中可以看出，在相同的钎焊工艺下，当钎焊间隙为10 μm时，接头的抗拉强度高达792 MPa，达到母材强度的80%以上；随着焊缝间隙的增加，焊缝中的脆性相增多，高温抗拉强度降低，当焊缝间隙提高至200 μm以上，焊缝的抗拉强度降低至400 MPa左右.

图4 钎焊间隙对接头高温拉伸性能的影响

Fig.4 Effect of braze seam thickness on mechanical properties at high temperature of DD5 superalloy joint

对接头在870 ℃拉伸性能测试后断口进行分析，结果表明，钎焊间隙为10 μm时，断裂主要发生在焊缝附近并贯穿焊缝，断口中除观察到脆性断裂特征外，还可以观察到韧性断裂的痕迹，结合该接头的微观组织形貌可知(图1)，性能测试过程中，在应力的作用下，焊缝与母材的界面处的脆性化合物相因失稳产生微小裂纹，并不断在界面处扩展，最终裂纹连通而发生断裂，断裂模式是混合断裂，但以韧性断裂为主；焊缝间隙增加至100 μm，焊缝在保温过程中完成等温凝固，但有晶界形成，晶界处还观察到脆性化合物，裂纹在晶界处萌生并沿晶界扩展，接头的断裂模式仍为混合断裂模式，但以脆性断裂为主；而当焊缝间隙大于200 μm时，断口表面可观察到圆球形的组织，说明裂纹在脆性化合物集中分布的位置萌生，并沿着晶界扩展，最终导致接头脆性断裂.

基于以上对钎焊间隙对接头显微组织和力学性能的影响可知，钎焊间隙不超过100 μm时，焊缝中脆性化合物相较少，组织均匀，高温性能优良，基本可以满足使用要求.

3 结 论

(1) 文中采用一种钴基钎料Co-Ni-Cr-W-Si-B钎焊DD5单晶高温合金，在1 180 ℃/60 min工艺条件下，焊缝的间隙不同，焊缝的显微组织存在很大的差异. 当钎焊间隙小于100 μm时，焊缝组织与母材相近，由γ-Ni相构成，有少量M3B2型硼化物相形成；随焊缝间隙的增加，焊缝中形成球状的Co基固溶体，M3B2相和Ni-Si化合物增多并长大.

(2) 在相同的钎焊工艺下，钎焊间隙不同，接头的高温抗拉强度(870 ℃)差异较大. 当钎焊间隙为10 μm时，接头的抗拉强度高达792 MPa，达到母材强度的80%以上；随着焊缝间隙的增加，焊缝的抗拉强度降低至400 MPa左右.

(3) 通过对断口形貌观察发现，接头的断裂主要发生在焊缝处，当间隙低于100 μm，接头的断裂模式为混合断裂模式；钎焊间隙200 μm以上的接头为脆性断裂.

(4) 利用Co-Ni-Cr-W-Si-B钎料钎焊镍基高温合金过程中，等温凝固的最大焊缝间隙为100 μm，此时，钎料中的降熔元素B和Si均匀扩散至DD5母材中，可有效抑制脆性硼化物相形成.

参考文献：

[1] 郭建亭. 高温合金材料学[M]. 北京: 科学出版社, 2008.

[2] 孙 元, 刘纪德, 刘忠明, 等. 钴基钎料钎焊DD5单晶高温合金的接头微观组织演变与力学性能研究[J]. 金属学报, 2013, 49(12): 1581-1589. Sun Yuan, Liu Jide, Liu Zhongming, et al. Microstructure evolution and mechanical properties of DD5 single crystal superalloy joint brazed by Co-based filler alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2013, 49(12): 1581-1589.

[3] 李志强, 黄朝晖, 谭永宁, 等. 表面再结晶对DD5镍基单晶高温合金组织和力学性能的影响[J]. 航空材料学报, 2011, 31(5): 1-5. Li Zhiqiang, Huang Chaohui, Tan Yongning, et al. Effect of surface recrystallization to DD5 nickel-based single crystal superalloy organization and mechanical properties. [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2011, 31(5): 1-5.

[4] 熊华平, 李 红, 毛 唯, 等. 国际钎焊技术最新进展[J]. 焊接学报, 2011, 32(5): 108-113. Xiong Huaping, Li Hong, Mao Wei, et al. The advance progress of the international brazing technology[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2011, 32(5): 108-113.

[5] Neumeier S, Dinkel M, Pyczak F, et al. Nanoindentation and XRD investigations of single crystalline Ni-Ge brazed nickel-base superalloys PWA 1483 and René N5[J]. Materials Science and Engineering: A, 2011, 528: 815-822.

[6] Bakhtiari R, Ekrami A, Khan T. The effect of TLP bonding temperature on microstructural and mechanical property of joints made using FSX-414 superalloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2012, 546: 291-300.

[7] Liu J D, Jin T, Zhao N R, et al. Microstructural study of transient liquid phase bonded DD98 and K465 superalloys at high temperature[J]. Materials Characterization, 2011, 62(5): 545-553.

[8] Liu J D, Jin T, Zhao N R, et al. Effect of transient liquid phase (TLP) bonding on the ductility of a Ni-base single crystal superalloy in a stress rupture test[J]. Materials Characterization, 2008, 59(1): 68-73.

[9] Sheng N C, Liu J D, Jin T, et al. Isothermal solidification stage during transient liquid-phase bonding single crystal superalloys[J]. Philosophical Magazine, 2014, 94(11): 1219-1234.

收稿日期：2014-12-03

基金项目：中国科学院国防科技创新基金资助项目

作者简介：孙 元，女，1980年出生，博士，副研究员. 主要从事钎焊连接与修复研究工作. 发表论文10余篇. Email: [e-mail]

通讯作者：周亦胄，男，研究员. Email: [e-mail]

中图分类号：TG 454

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2017)01-0117-04