DZ40M钴基合金钎焊接头微观组织及性能研究

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(1.海军贵办航空发动机室，贵州 安顺 561102；2.中国科学院金属研究所 高温合金研究部，辽宁 沈阳110016)

0 前言

DZ40M合金是中国科学院金属研究所自主研制的定向凝固钴基高温合金，具有较高的初熔温度、优异的抗热疲劳性能，良好的耐蚀性能及抗氧化性能，广泛应用于多种型号的航空涡轮发动机热端部件和具有复杂内腔的气冷空心导向叶片[1-3]。

在航空发动机热端部件制造和修复过程中，焊接是一道关键工序，焊接性能直接制约了零部件的使用温度和服役寿命，因此开展DZ40M合金的钎缝的微观组织演变机理和力学性能研究尤为重要。钎焊作为一种精密的连接技术，具有形状适应性好，变形小，工艺简单等优势，对精密高温合金部件的连接具有独特的优势，故成为高温合金材料应用最多的连接技术之一[4-5]。

目前国内外有关DZ40M合金的微观组织、力学性能和热处理等方面研究报道较多，且较为成熟，但针对该合金的钎焊连接与修复技术研究相对较少。已有的研究表明[6]，采用Ni-Cr-Co基钎料钎焊DZ40M合金时，钎缝中心区主要由大量的Co基固溶体、白色和灰色硼化物骨架以及少量的深色块状或骨架状碳化物等构成，且在980 ℃加载83 MPa条件下接头的持久寿命可达18 h。但是，由于高温结构件的形状复杂，钎焊的间隙差别较大，而DZ40M合金的钎焊间隙对接头组织和性能的影响尚未见报道。因此，采用一种镍基钎料对DZ40M合金进行真空钎焊，对接头显微组织进行观察，分析推测出接头的析出相，并讨论不同间隙钎焊的微观组织形貌和力学性能，分析接头断裂机制，为实现DZ40M合金优质的焊接提供理论与技术支持。

1 试验材料与方法

试验所用母材为铸态DZ40M定向凝固钴基高温合金，其化学成分见表1。该合金以碳化物析出相为主要强化相，主要包括分布在γ固溶体基体上的M7C3和MC型碳化物以及在高温长期使役过程中析出的颗粒状M23C6和少量M6C型碳化物，碳化物含量约占合金总重量的7%～10%。该合金室温抗拉强度为775 MPa，屈服强度为435 MPa，具有良好的塑性和组织稳定性。试验采用的钎料为ВПР27箔带型镍基钎料，该钎料的化学成分见表1。试验采用对接接头的形式，首先对待焊试样表面进行机械清理，之后对试样进行丙酮超声波清洗。将钎料与适量粘结剂混合调匀，预置于对接钎焊中，并将装配好的样品放入真空钎焊炉中，钎焊的温度为1 170 ℃，保温时间为15 min，钎焊时炉内真空度不低于5×10-2Pa。

表1 DZ40M合金和钎料的化学成分(质量分数，%)

钎焊后用电火花线切割机床将钎焊纵向切开，对切开后的钎焊表面进行机械清理、砂纸打磨，直至露出清洁表面，并用丙酮清洗，抛光后使用44%CuSO4+33%HCl+23%H2O溶液对钎焊进行表面腐蚀，将腐蚀后的样品用 Cambridge-S360型扫描电子显微镜观察接头的显微组织。

利用SANS-CMT5205 型试验机对接头进行高温拉伸试验，测试的温度为980 ℃，拉伸速率为0.15 mm/min，采用CSS3910型悬臂式持久试验机对钎焊样品进行持久试验，测试980 ℃/66 MPa条件下接头的持久寿命，拉伸和持久试样如图1所示。

图1 钎焊接头性能试样

2 试验结果与分析

2.1 DZ40M合金钎焊接头显微组织

图2为钎焊温度1 170 ℃保温15 min工艺下获得的典型接头背散射显微组织形貌。从图2可以看出，该接头从中间到两边大致可以分为3个区域：钎缝中间由白色棒状和短棒状相与少量灰色无规则块状相组成，该区域由钎料熔化后冷却凝固所得，故称该区域为钎缝组织；钎缝组织两侧主要由连续的初生γ固溶体组织与少量断续分布于其中的灰色条状相组成，由于该区域由熔化钎料和母材凝固后形成，是介于原始母材与钎料两者之间的过渡区域，故称该区域为界面区；在界面区与未受钎料扩散影响的母材之间有一层和母材组织和成分相似且有细小的粒状析出相弥散分布于其中的区域，该区域是由未受影响的母材与钎料之间元素的互扩散而形成，故该区域称为元素扩散区。

图2 钎焊接头SEM形貌

利用EDS对钎焊中各个区域析出相的成分进行定性分析可知，钎缝组织中亮白色条状析出相主要含W，Co，Ni，Cr 等元素(图2b)，其中W，Co两种元素的含量明显高于原始钎料，Cr的含量略高于原始钎料，而Ni的含量低于原始钎料，表明该析出相富W,Co和Cr，贫Ni元素。根据B-Ni相图和前期的研究成果[6]判断，该相为M2B3型硼化物。在该区域与界面连接区交界处断续分布着亮白色粒状析出相，该相与内部尺寸较大的白色析出相一致。少量灰色析出相靠近白色析出相析出，如图2c所示，该相为富Cr相，含有少量的Co，B等元素，初步判断该相为CrB。该区的基体相主要成分为Co，由于Ni与Co可以无限互溶，所以该区域基体相为含有少量的Cr和W等元素的Ni，Co固溶体。在界面连接区中，由于母材向钎料的溶解及钎料中合金元素向母材的扩散所致，该区主要以钴基固溶体为主，其间分布较多富Cr的块状析出相，该相与钎料合金区中的灰色条状相应为同一物相，且靠近元素扩散区的区域有筛孔状析出相，根据其形态确定该相应为共晶组织。

2.2 钎缝间隙对组织和性能的影响

图3为分别采用ВПР27箔带在50 μm，100 μm和150 μm间隙下钎焊DZ40M所得到的接头组织形貌。不同钎缝间隙下接头所得到的组织具有相似的组成及形貌特征，但随着钎缝间隙的增加钎料熔合区与界面连接区的宽度逐渐增大。这是由于钎料含量的增加直接导致钎焊中心熔化的钎料含量增加，而保温时间不变，留给合金元素相互扩散的时间相对减少，因此钎料熔合区面积增加。与此同时，钎料含量的增加间接导致液态钎料与固相母材达到动态平衡的时间相对增加，导致溶解掉更多的固相母材，因此界面连接区的面积也会增大。其中150 μm钎缝中白色条状硼化物析出相及灰色块状硼化物析出相的尺寸及相对含量增多，这是主要是由于硼元素的扩散后与基体和钎料中的合金元素反应而形成，因此这两种相的含量与硼元素的含量直接相关，而箔带钎料的增加直接导致B元素含量的增加，因此这两种相的含量及尺寸会增多。

图3 不同钎缝间隙接头组织形貌

图4为采用不同层数钎料箔带在1 170 ℃保温15 min工艺下所得到钎焊接头的高温拉伸试验结果。980 ℃高温拉伸性能测试结果表明，不同钎焊间隙的接头抗拉强度变化不大，约为150 MPa左右，断裂均发生在钎焊位置，这是由于拉伸断裂过程发生的较为迅速，因而接头的高温拉伸性能对初熔现象并不敏感。

图4 不同间隙宽度对钎焊接头拉伸性能的影响

图5为采用不同层数钎料箔带在1 170 ℃保温15 min工艺下所得到钎焊接头高温持久试验结果。试样在980 ℃并加载66 MPa条件下高温持久寿命随着钎焊间隙的增大而下降。由前述可知，箔带层数的增加会提高钎缝中硼化物析出相的含量与尺寸。已有研究表明该种硼化物的出现会显著降低钎缝的初熔温度，而高温下初熔现象的产生将加速裂纹的萌生及扩展，因而会显著降低钎焊接头的持久寿命。

图6为不同钎缝间隙下接头断口的微观显微形貌，通过观察发现在50 μm钎缝间隙的钎焊接头持久断口中存在大量韧窝状组织(图6a)，表现为塑性滑移系型断裂；而150 μm钎缝接头的持久断口中具有较多断面较为平整的区域，只有少量韧窝与撕裂棱，而大量断裂起源于脆性析出相处；100 μm钎缝的持久断口形貌介于前两者之间，这与前文分析讨论结果一致，进一步验证钎焊中析出的大量脆性硼化物是导致接头持久寿命下降的主要因素。

图5 不同间隙宽度对钎焊接头持久寿命影响

2.3 DZ40M合金钎焊接头形成机制分析

在钎焊过程中箔状钎料的熔点低于钎焊温度，因此在钎焊温度下钎料会全部转变为液相，随着保温的进行，由于钎料合金元素成分与基体成分存在浓度差，在基体和液态钎料之间会发生合金元素的互扩散。众所周知，原子在液相中的扩散速率要高于固相中的扩散速率，因此通过溶解靠近液相的基体，液态金属很快达到与固相母材的动态平衡，固-液界面处母材的溶解会稀释液相的合金成分并且使得液相区变宽，与此同时，液相中可以降低熔点的B元素会向固相母材扩散，但相比于该过程，前者进行的更为迅速。当固-液相达到平衡之后，B元素的扩散起到了主导性的作用，由于B与Co基母材中的高熔点元素发生反应，以颗粒状硼化物的形式在基体中反应析出。在元素扩散区与界面连接区交界处由于受到钎料中降低熔点B元素扩散的影响，该区在钎焊温度下应处于半熔化状态，一部分未完全溶解掉的固相母材以颗粒状弥散分布于其中。随着降低熔点B元素由液相扩散到固相，使得液相线温度上升，当液相熔点刚好上升至超过钎焊温度时液态金属开始形核，由于靠近固-液界面处液态金属中的B元素首先扩散到固态母材中，因此在此处首先形核，主要以Co-Ni固溶体为主，边界未完全溶解掉的颗粒状母材以原始状态保留在其中。由于母材中的Cr含量高于钎料，因此溶解掉的母材中具有更高的Cr浓度，会向液态钎料中扩散，而B元素的扩散方向与之相反，二者相遇会形成富Cr的硼化物析出相。由前述可知，降低熔点B元素的扩散会导致在界面连接区形成大量的Co-Ni固溶体，而B在该固溶体中的分配系数k<1，故在形成Co-Ni固溶体的同时，B元素会被排出进入剩余的液态钎料中，所以剩余液态钎料中B含量相对较高；在随后冷却过程中会首先形成γ-Ni等轴晶，随着温度的降低在等轴晶界处会析出富W硼化物。

图6 不同钎缝间隙断口显微形貌

3 结论

(1)钎焊接头主要由钎料熔合区、界面连接区和元素扩散区组成；钎料熔合区主要由白色富W硼化物、镍基固溶体与少量灰色富Cr硼化物组成；界面连接区由大量块状富Cr硼化物、Ni-Co基固溶体、少量筛孔状硼化物与大量未完全溶解母材颗粒组成；元素扩散区由钴基固溶体与小块状硼化物组成。

(2) 在相同的加热温度与保温时间下随着钎缝间隙的增大钎焊中的硼化物析出相尺寸与含量逐渐增多，高温拉伸与高温持久寿命试验结果表明，钎缝间隙的增大会显著降低接头的高温持久寿命，而对接头的高温拉伸性能影响不大。

(3) 接头的形成机制为钎焊温度下液相钎料与固相的母材在合金元素浓度梯度的作用下发生元素互扩散，导致母材向液态钎料中溶解母材中的元素与B元素反应生成硼化物留在界面连接区，钎料中的降低熔点B元素不断向母材中扩散，在元素扩散区形成硼化物，降温时钎料熔合区先形成等轴晶，之后富W硼化物在晶界析出。