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中国古老焊接工艺助力新型高推重比发动机研发(二)

发布时间:2016-9-28 16:55:59     点击:

  钎焊过程原理如(图1)所示,将熔点低于母材的钎料和被钎焊零件同时均匀加热至钎焊温度,钎料熔化而被钎焊零件保持固态。熔化钎料润湿母材并在毛细作用下填充接头间隙。在随后的保温过程中,液态钎料成分向母材中扩散,使得母材近缝区发生微量溶解并与钎料相互扩散,在降温冷却过程中接头形成冶金结合。


  在零件钎焊前,首先要做好接头设计工作,包括以下几个方面:


  接头形式:经常使用的钎焊接头形式有搭接、对接、斜接及T型接等基本形式(图2)。通常搭接接头的强度最高,其次是斜接,最差的是对接。


  搭接长度:接头搭接长度太长,会耗费材料、增加构件重量;搭接长度太短,则不能满足强度要求。在生产实践中,搭接长度通常为钎焊金属厚度的3~4倍,但很少超过15mm。


  装配间隙:装配间隙是影响钎缝致密性和接头强度的关键因素之一。间隙过。岱涟チ系牧魅耄患湎豆螅蚱苹登チ系拿缸饔茫チ喜荒芴盥油返募湎叮率菇油非慷冉档。一般来说,钎料与母材之间相互作用较弱,则需要较小的间隙;钎料与母材之间相互作用较强,就要求间隙较大。


  钎料选择:通常选用的钎料熔点应低于母材熔点几十度以上,在钎焊温度下能很好地润湿母材和填充钎缝间隙;同时与母材能发生相互扩散作用,以获得牢固的接头;钎料应不含有对母材有害的元素,能满足钎焊接头的力学、物理及化学性能方面的要求。此外,也必须考虑钎料的经济性、应尽量少用或不用稀有金属和贵重金属。


  在零件钎焊时,首先要对被钎焊零件进行表面处理,包括去油、除氧化膜及在零件表面镀覆镀层等;然后采用紧配合、点焊及夹具定位等方法装配、固定被钎焊零件和钎料,以保证所要求的钎焊间隙。钎料放置后应在周围涂止焊剂,以防止熔化钎料漫流铺展或将焊件与钎焊夹具粘连。钎焊过程中需控制的主要工艺参数是钎焊温度和保温时间,以保证钎料能充分润湿母材并填充钎焊间隙,形成致密的钎焊接头。


  在零件钎焊后,可根据零件使用要求,对被钎焊零件进行后续的扩散热处理,以提高接头力学性能。对于使用钎剂的接头,钎焊后需要将接头清洗干净。


  扩散焊过程原理是在真空或保护气氛环境下,相互接触的待焊零件表面在一定温度和压力的作用下发生微观塑性变形形成紧密结合,界面处金属原子发生相互扩散,最终形成冶金结合接头。为满足涡轮叶片等热端部件高性能连接需求,在借鉴传统的钎焊、扩散焊技术优点的基础上,创新发展了新型的过渡液相扩散焊(TLP)技术。其基本原理是:在待焊面预先放置成分相近但熔点低于母材的中间层,在保温过程中,中间层熔化并与母材发生成分扩散,使得接头在保温过程中发生等温凝固,在随后扩散过程中实现成分与组织的均匀化,最终获得高性能冶金结合。介于钎焊与扩散焊之间的过渡液相扩散焊的基本操作过程与钎焊相似,但接头性能显著提高,因此在航空航天领域得到了广泛应用。


  由于钎焊/扩散焊时工件整体加热或钎缝周围大面积均匀加热,因此焊后工件变形。子诒Vすぜ叽纾抑灰ひ昭≡竦玫保墒菇油沸阅苡肽覆南嘟弊龅轿扌杓庸ざ疤煲挛薹臁保虼朔浅J屎暇芰慵呖煽苛。此外,可根据母材熔点选择比母材熔化温度低的钎料进行焊接,从而避免了钎焊加热对母材组织特性的改变,因此也非常适合异种金属之间,甚至金属与非金属,非金属与非金属之间的连接。


  不同结构材料的零件要求采用不同的钎焊方法,不同的钎焊方法对应不同的钎焊设备。在20世纪五六十年代,所使用的材料主要为碳钢、铝合金、不锈钢等,相应的钎焊工艺方法是盐浴钎焊、火焰钎焊、保护气氛炉中钎焊等。随着科技的不断进步,先进钛合金和高温合金材料在工业领域逐渐推广应用,为实现零件小变形、不氧化和高性能连接等要求,主要采用真空钎焊、过渡液相扩散焊等新的钎焊/扩散焊方法,主要设备为真空钎焊炉。同时,为满足特定需求,开发了相应的新型钎焊工艺和装备,如真空或气体保护条件下的感应钎焊、真空电弧钎焊、电子束钎焊和激光钎焊等。


  航空发动机是钎焊/扩散焊应用最广泛的领域之一。欧美各主要航空发动机制造公司非常重视钎焊/扩散焊技术的研究,通过研制新型钎料和中间层材料、开发新型钎焊/扩散焊工艺和装备,使得钎焊/扩散焊技术逐步从发动机冷端非受力部件扩大到热端受力的关键部件。例如,美国普惠公司JT3D和JT8D发动机压气机静子环,JT9D发动机涡轮叶片、燃油总管、不锈钢热交换器,英国罗罗公司斯贝发动机高压一级涡轮叶片、RB211和V2500发动机钛合金风扇叶片均采用钎焊/扩散焊方法制备。其中仅JT3D发动机上的钎焊组件就已多达220余件。


  随着先进推进系统的发展,异种金属材料、陶瓷与金属、金属间化合物、定向凝固、单晶叶(微博)片、气膜冷却复杂结构高温部件的制造越来越依赖于钎焊/扩散焊技术的不断创新发展,这是进入21世纪以来技术进步的大趋势,因此可以预见,钎焊/扩散焊这一古老的技艺,必将在21世纪科技进步的大潮中迎来久违的春天。

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