Microstructure and properties of honeycomb brazed interface for GH3536 alloy
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摘要:
针对GH3536高温合金开展研究，以提供一种用于小芯格且薄壁的高温合金蜂窝的高强度钎焊工艺。采用芯格内切圆直径为0.8 mm、蜂窝壁厚为0.05 mm的GH3536蜂窝，使用BNi2粘带钎料，优化了钎料用量、分析了不同钎料用量对应钎焊蜂窝界面组织形貌，并测试了GH3536蜂窝元件的拉伸性能、压缩性能及弯曲强度，评价GH3536蜂窝元件的基础力学性能。结果表明，所获得蜂窝结构焊合率达到99.5%；钎焊蜂窝界面晶粒细小、组织均匀、无钎缝溶蚀；GH3536蜂窝元件具有优异强韧性、平面抗拉强度达到50 MPa。
Abstract:The study on GH3536 superalloy was carried out to provide a high-strength brazing process for small core grid cutting thin-walled superalloy honeycomb. GH3536 honeycomb with inner tangent circle diameter of 0.8 mm and honeycomb wall thickness of 0.05 mm was adopted. BNi2 adhesive brazing filler metal was used to optimize amount of brazing filler metal and analyze microstructure of brazed honeycomb interface corresponding to different amount of brazing filler metal. Tensile properties, compressive properties and bending strength of GH3536 honeycomb component were tested to evaluate its basic mechanical properties. The result showed that welding rate of honeycomb structure reached 99.5%. Brazed honeycomb interface had fine grains, uniform microstructure and no brazing seam corrosion. GH3536 honeycomb component had excellent strength and toughness, and plane tensile strength reached 50 MPa.
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Keywords:
- GH3536 superalloy /
- honeycomb structure /
- brazing /
- interface microstructure /
- strength
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0. 前言
封严件工作于高温、高压且具有腐蚀性气体冲刷的环境，要求蜂窝材料必须有良好的耐高温、抗氧化和耐腐蚀能力[1 − 4]。目前，航空发动机封严结构采用蜂窝材料主要是高温合金，如GH3536合金。GH3536合金具有良好的抗氧化和蠕变强度，冷、热加工成形性和焊接性良好[5 − 8]。 中国研制了GH3536高温合金，是一种利用Cr和Mo元素固溶强化及碳化物强化的镍基变形高温合金，其综合性能水平相当于美国航空发动机生产中用量最大的高温合金Hastelloy X。中国某型发动机燃烧室和加力燃烧室共计118个零件选用了GH3536合金[9 − 12]。高温合金蜂窝封严结构涉及到钣金件的弯曲成形、箔材波纹带冷成形、蜂窝环制造及组件整体装配和整体钎焊等多个工序[13 − 19]。在钎焊技术方面多涉及接头性能评价、焊接工装设计及结构件制备技术等，但对于蜂窝钎焊界面微观组织分析、元素扩散等基础工艺方面，尚且需要深入研究和必要的工艺优化，以提高构件的焊接质量。
采用BNi2钎料及GH3536合金蜂窝开展钎焊工艺研究与元件性能评估，研究结果为GH3536蜂窝制品钎焊技术提供参考。
1. 试验及方法
试验所用GH3536合金为箔带材料，厚度为0.05 mm；将箔带裁剪为5.5 mm宽度的条带、并采用专用模具制备为六边形芯格（内切圆直径为0.8 mm）对应的波纹带。采用电阻点焊方法将波纹带拼焊为一定尺寸规格且平面形状的蜂窝芯体。 使用BNi2粘带钎料（钎料熔化曲线如图1所示）、粘带厚度为0.5 mm，其中粉末比例为90%～92%；将粘带钎料均匀压制于蜂窝芯体内部。设计钎料用量为1层和2层钎料。采用2 mm厚度的GH3536板材作为蜂窝元件的上下面板材料。将上下面板、装配好焊料的蜂窝芯体在垂直方向对中，利用焊接工装保证组件之间精密贴合。 采用真空钎焊炉（真空度不低于1 × 10−3 Pa）和1 050 ℃ × 15 min参数将组件间钎焊为蜂窝元件。测试室温下GH3536蜂窝元件的抗拉强度、弯曲强度及抗压强度，采用扫描电镜观察GH3536蜂窝界面组织形貌。试验涉及到钎焊技术和检测标准包括JY/T 0584—2020《扫描电子显微镜分析方法通则》、GB/T 17359—2012《微束分析能谱法定量分析》、GJB 130.6—86 《胶接铝蜂窝夹层结构和芯子平面剪切试验方法》及Q/AVIC-03040—2015《蜂窝封严件的真空钎焊工艺》。
2. 结果与讨论
2.1 钎焊GH3536蜂窝界面组织及界面元素分布
分别采用1层和2层粘带钎料对GH3536蜂窝元件进行钎焊，界面组织如图2所示。焊后蜂窝呈金属白亮色、未有氧化现象；芯格完整，无芯格变形、塌陷现象；蜂窝边缘未见溶蚀。该研究采用蜂窝规格仅为0.8 mm（蜂窝对边距离），因此，钎料用量不当时，将导致GH3536蜂窝结构的焊合率不足或发生蜂窝芯格堵孔。采用1层粘带钎料获得的GH3536蜂窝焊合率为99.5%，且未见堵孔现象，如图3所示（尺寸20 mm × 60 mm）。采用超声显微镜检测蜂窝元件，在个别样品一侧边缘部位出现局部未焊合，如箭头所示。分析认为这是由于边缘部位施加工装未达到钎焊间隙要求。此外，2层粘带钎料下偶见蜂窝堵孔问题，堵孔率为1%。
蜂窝未钎焊时，原始态蜂窝壁厚为0.05 mm；蜂窝钎焊后，理论上蜂窝经焊接后连接部位由3部分组成，一侧蜂窝壁、对侧蜂窝壁及钎料。理论上焊接连接部位宽度是0.05 mm + 0.05 mm + 0.5 mm = 0.6 mm。然而，由于一部分蜂窝壁材料将与钎料发生反应，导致蜂窝壁厚度减少；同时，钎料中粘结剂将发生挥发，导致实际钎料用量不足于装配的钎料用量。因此，实际上钎焊蜂窝连接部位的宽度会远低于0.6 mm。对比可见，1层粘带钎料对应界面尺寸较小、组织更加细小。当钎料用量为2层时，蜂窝钎焊界面平均宽度为38 μm，连接部位平均厚度为130 μm（即0.13 mm）；而在1层粘带钎料情况下，相应蜂窝钎焊界面的平均宽度为18 μm，连接部位的平均厚度为100 μm（即0.1 mm）。可见，采用1层钎料，不仅保证该研究下蜂窝较高焊合率且蜂窝壁连接部分宽度小、钎焊界面较窄，有利于获得高强度连接接头。故采用1层焊料进行蜂窝性能测试元件的钎焊和力学性能评价。
钎焊蜂窝界面元素包含钎料元素和基体材料元素。Ni元素占73.6%，Cr元素占9.3%，C和Fe元素均为6.0%，其与元素包括Si，Mo，W元素。而Co元素与B元素几乎为零。GH3536蜂窝元件界面元素分析结果如图4所示（1层焊料情况）。蜂窝胞壁三边界面可以划分为两类区域：一类为三角形区域I，一类为胞壁区域II。Si元素含量较少，集中分布在三角形界面区域，Ni元素同时存在于胞壁和界面部位；相比胞壁，界面处Ni元素含量更多，这主要归因于钎料中含有大量Ni元素；钎料中Ni含量远高于基体材料中Ni含量。
2.2 钎焊GH3536蜂窝元件力学性能
对采用1层钎料钎焊的GH3536蜂窝元件进行抗拉强度、弯曲强度和抗压强度测试。采用试样规格依次为50 mm × 50 mm，60 mm × 20 mm和30 mm × 30 mm，结果见表1，元件厚度均为9.5 mm。室温下钎焊GH3536蜂窝元件具有优异的强度；平面抗拉强度分别为50 MPa，50 MPa和53 MPa。此外，钎焊GH3536蜂窝元件的三点弯曲强度及平面抗压强度分别达到了700 MPa和200 MPa以上。在三点弯曲测试试验中，元件发生芯体破裂后撤掉载荷；在平面抗压试验中，元件发生失稳、但未破坏。
表 1 GH3536蜂窝元件力学性能平面抗拉强度
Rm/MPa三点弯曲强度
Rb/MPa平面抗压强度
Rc/MPa50, 50, 53 718, 720, 768 202, 206, 205 2.3 钎焊GH3536蜂窝元件的失效分析
图5为GH3536蜂窝元件失效图片。经受力方向与蜂窝平面垂直的拉伸加载后，芯体发生撕裂而芯体与面板之间未破坏；因此，所测强度数值为钎焊GH3536蜂窝的强度水平。相应蜂窝平面为50 mm × 50 mm。GH3536蜂窝部位起裂于四周边缘、然后向芯部扩展，最后失效。每个蜂窝芯格断面与拉伸方向呈30°～60°，而非90°垂直撕裂，故整体焊接芯体具有良好的塑韧性。钎焊GH3536蜂窝元件经三点弯曲（尺寸20 mm × 60 mm）试验后，元件发生目视可见的明显的塑性变形，芯体部位S形变形表明焊接芯体具有优异的塑性。元件最大变形部位是轴向中部，以此为中心、两侧发生芯体扭曲，在某一侧发生芯体破坏后元件失效。以上焊接GH3536蜂窝元件的失效模式表明所用焊接工艺合理，且反映出GH3536蜂窝用箔材的强韧性匹配较好。
3. 结论
（1）采用单层BNi2粘带钎料，厚度为0.5 mm，以及1 050 ℃ × 10 min工艺参数进行钎焊，焊后GH3536蜂窝呈金属白亮色、未有氧化现象；蜂窝芯格完整、无芯格变形且蜂窝无塌陷。
（2）钎焊GH3536蜂窝（六边形蜂窝单元的对边距离0.8 mm）薄壁部位无溶蚀，蜂窝界面晶粒细小、组织均匀，蜂窝元件焊合率达到99.5%。
（3）GH3536蜂窝经钎焊后具有优异的强韧性；且蜂窝元件平面抗拉强度达到50～53 MPa。钎焊GH3536蜂窝元件的三点弯曲强度及平面抗压强度水平分别达到了718～768 MPa和202～206 MPa。
（4）在拉伸载荷下钎焊GH3536蜂窝元件失效于蜂窝芯体，且蜂窝单元呈剪切撕裂方式；在弯曲载荷下蜂窝芯体呈现明显S形变形，故钎焊GH3536蜂窝具有优异的塑性。
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表 1 GH3536蜂窝元件力学性能
平面抗拉强度
Rm/MPa三点弯曲强度
Rb/MPa平面抗压强度
Rc/MPa50, 50, 53 718, 720, 768 202, 206, 205 
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[1] 刘亚洲, 宋晓国, 程危危, 等. 钎焊超薄GH99蜂窝夹层结构力学性能分析[J]. 焊接学报, 2022, 43(11):1 − 7. doi: 10.12073/j.hjxb.20220706001 [2] 马瑞, 刘林川, 王亚军, 等. 固溶温度对激光粉末床熔化GH3536合金组织演变及力学性能影响[J]. 焊接学报, 2022, 43(8):73 − 79. doi: 10.12073/j.hjxb.20220504002 [3] 陆业航, 李晋炜, 张庆云, 等. GH3536高温合金电子束焊组织及显微硬度分析[J]. 焊接, 2010(9):47 − 50. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2010.09.011 [4] 康丹丹, 赖世强, 欧亚. GH3030高温合金焊接工艺性分析及评定[J]. 金属铸锻焊技术, 2010, 39(11):165 − 167. [5] 李勇, 许鹤君, 巴发海. GH6336合金的蠕变性能及蠕变行为[J]. 理化检验—物理分册, 2019, 55:289 − 320. [6] Ojo O A, Richards N L, Chaturvedi M C. Microstructural study of weld fusion zone of TIG welded IN 738LC nickel-based superalloy[J]. Scripta Materialia, 2014, 51(7):683 − 688.
[7] Schramm V, Willenborg K, Kim S. Influence of a honeycomb facing on the flow through a stepped labyrinth seal[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2002, 124(1):140 − 146. doi: 10.1115/1.1403460
[8] 魏振伟, 刘昌奎, 顾玉丽, 等. GH536镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究[J]. 航空材料学报, 2015, 35(5):70 − 74. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2015.5.011 [9] Li J, Li Z G, Feng Z P. Numerical investigations on the leakage and rotordynamic characteristics of pocket damper seals—part Ⅰ: effects of pressure ratio, rotational speed, and inlet preswirl[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2015, 137(3):1 − 15.
[10] 杨烁, 杜静, 李文学. 重型燃机蜂窝结构真空钎焊工艺技术研究[J]. 工业技术, 2011, 24:185. [11] 许鹏, 康慧, 曲平. 镧对调剂钎料钎焊Ti3Al和GH3536的影响[J]. 中国稀土学报, 2007, 25(2):253 − 256. doi: 10.3321/j.issn:1000-4343.2007.02.023 [12] 徐卫平, 白文彬, 邱望标. 蜂窝材料的真空钎焊工艺及应用[J]. 材料研究与应用, 2008, 2(1):71 − 74. doi: 10.3969/j.issn.1673-9981.2008.01.018 [13] 姜立忠, 王智田, 王治国, 等. 高温合金冲压件翻孔成形工艺改进研究[J]. 冲压, 2014(1):73 − 76. [14] 刘艳辉, 童国权, 王辉, 等. GH99高温合金蜂窝条的制备及力学性能[J]. 机械工程材料, 2013, 37(2):82 − 85. [15] 陈秀秀, 晏鑫, 李军. 蜂窝叶顶密封对透平气动性能的影响研究[J]. 西安交通大学学报, 2016, 50(4):1 − 7. doi: 10.7652/xjtuxb201604001 [16] 李志刚, 李军, 丰镇平. 蜂窝密封流动特性的数值研究和泄漏量计算公式的构造[J]. 机械工程学报, 2011, 47(2):142 − 148. [17] 李军, 邓清华, 丰镇平. 蜂窝汽封和迷宫式汽封流动性能比较的数值研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(16):108 − 111. doi: 10.3321/j.issn:0258-8013.2005.16.020 [18] 李志刚, 宁霄, 晏鑫. 蜂窝面迷宫密封泄漏特性和鼓风加热特性研究[J]. 工程热物理学报, 2015, 36(6):1196 − 1200. [19] 吕江, 何立东, 王晨阳. 蜂窝密封在小功率汽轮机轴端密封上的应用[J]. 润滑与密封, 2015, 40(6):90 − 94. doi: 10.3969/j.issn.0254-0150.2015.06.018 -
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1. 雷奕文，贺文勃，张骞文，李细锋. 钛合金蜂窝芯瓦楞板精密成形技术研究进展. 航空制造技术. 2025(06): 58-68 . 
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