Vacuum Brazing Technology of Seal Ring Composed of Martensitic Stainless Steel and Aluminum Bronze

马氏体不锈钢与铝青铜封严环真空钎焊工艺 Vacuum Brazing Technology of Seal Ring Composed of Martensitic Stainless Steel and Aluminum Bronze first-author 石素霞（1992—），女，学士，工程师，主要从事高温合金、不锈钢等材料的真空钎焊工艺研究。E-mail：1539593469@qq.com。 石素霞（1992—），女，学士，工程师，主要从事高温合金、不锈钢等材料的真空钎焊工艺研究。E-mail：1539593469@qq.com。 1539593469@qq.com 中国航发航空科技股份有限公司，四川 成都 610503 中国航发航空科技股份有限公司，四川 成都 610503 AECC Aero Science and Technology Co., Ltd., Chengdu 610503, China AECC Aero Science and Technology Co., Ltd., Chengdu 610503, China 某航空发动机封严环结构由1Cr17Ni2材质的安装边和QAl7材质的环通过真空钎焊连接在一起，按原工艺加工合格的零件装配发动机试车后，大部分零件在试车过程中出现铜环脱焊现象，严重制约了研制进度。采用模拟件改进封严环的真空钎焊工艺，选用HBAg72CuNiLi共晶钎料，在室温下将预留钎焊间隙调整为0.18~0.20 mm，通过安装边内圆、车削加工铜环外径来保证钎焊间隙，增加钎焊工装以防止钎焊过程中焊缝开裂。结果表明，获得的钎缝表面均匀、过渡圆滑、未见缺陷，符合质量要求。焊后采用水浸超声波检测代替X射线探伤检测焊缝，检测结果与金相检测结果一致。采用新工艺钎焊的零件通过了试车考核，解决了该零件钎焊焊缝开裂的难题。 The sealing ring structure of an aero engine is connected by the mounting edge of material 1Cr17Ni2 and the ring of material QAL7 through vacuum brazing. After the aero engine test run, the qualified brazing seam processed by the original process appeared the phenomenon of brazing crack, which seriously restricted the development progress. In this paper, vacuum brazing technology of sealing ring is improved by using simulated parts, and HBAg72CuNiLi eutectic filler metal is used. The brazing gap is adjusted to 0.18~0.20 mm at room temperature, the brazing gap is ensured by turning the external diameter of bronze ring according to the size of the mounting edge, and the weld cracking during brazing is prevented from increasing the brazing equipment. The results show that the brazing seam has uniform surface, smooth transition and no defects, which meets the quality requirements. The water immersion ultrasonic testing is used instead of X-ray inspection to detect the brazing seam, and the detection results are consistent with the metallographic detection results. The parts brazed by the new technology pass the test run and the problem of cracking of brazing seam is solved. 封严环 真空钎焊 钎焊间隙 水浸超声波检测 seal ring vacuum brazing brazing gap ultrasonic testing in water immersion 前言 1 钎焊技术广泛应用于航空发动机结构、航空仪表及第二动力组合件的连接，已成为发动机构件制造的关键技术。采用真空钎焊对零件进行整体加热，其热应力小、工件变形小且工艺参数控制准确、产品质量稳定，特别适合焊接复杂、多零件组合实现大面积区域的连接 ［ 1 1 ］ 。与其他焊接方法相比，真空钎焊焊接接头性能良好，焊缝质量稳定，利于异种材料的焊接，常用于航空发动机静子组件、燃油总管和封严结构等零部件的焊接。 目前，铜与不锈钢、高温合金的焊接方式主要是钎焊，钎料多采用镍基钎料、银基钎料、铜基钎料等。敖斌等人 ［ 2 2 ］ 对某型低压涡轮外环的钎焊工艺进行了研究，结果表明钎焊温度在1 170~1 180 ℃时，Ni-Co基钎料对GH4648和GH3030有良好的润湿和铺展性能，可获得良好的焊接接头。林茂广等人 ［ 3 3 ］ 采用BAg72Cu钎料真空钎焊奥氏体不锈钢与纯铜，在865 ℃保温10 min时可以获得优良的钎焊接头，剪切强度可达160 MPa。林发仙等人 ［ 4 4 ］ 研究了B19白铜和GH4169组成的封严篦齿环真空钎焊工艺，采用金属箔带状钎料B-Cu35NiMnCoFe（B，P）-S钎焊线膨胀系数差异较大的材料构成的零件，钎着率可达80%。 某航空发动机的封严环是由铝青铜（QAl7）和马氏体不锈钢（1Cr17Ni2）采用HBAg72CuNiLi钎料通过真空钎焊连接而成。该封严环为异种材料组成的环形结构件，属于可磨耗封严环类零件，用于发动机高压涡轮轴承的封严，要求具备良好的耐磨性和封严性，铜环内侧加工有齿槽。前期科研试制钎焊时铜环和不锈钢安装边为过盈配合，钎焊后采用X射线检查钎焊内部质量，大部分零件在试车过程中存在铜环脱焊现象，严重制约了研制进度。为提高钎焊质量，获得合格零件，文中针对该封严环技术难点进行工艺分析，确定了钎焊参数、钎焊工装、钎焊工艺路线和检测方法，保证零件钎着率达到80%。该研究可为类似零件的真空钎焊工艺设计提供参考和借鉴。 工艺技术难点 1 封严环零件结构如 图1 图1 所示，中间凹槽部分宽度为7 mm，钎焊后凹槽部分被加工成孔。不锈钢焊接处厚度7 mm。 材料焊接性 2 QAl7和1Cr17Ni2是两种完全不同的合金，化学成分和性能差异较大加大了其真空钎焊的难度。QAl7的化学成分和物理性能如 表1 表1 所示，铜环是由QAl7带材通过弯曲、氩弧焊和成型加工而成的环状零件，钎焊时铜环厚度3 mm，刚性较差。1Cr17Ni2化学成分如 表2 表2 所示。安装边由淬回火态的1Cr17Ni2锻件加工而成。QAl7的铝含量高达6%~8%，在高温钎焊过程中表面容易形成氧化铝，导致钎料润湿性差，从而增加了钎焊难度。 Al Cu Sn Zn Fe Mn Pb Si P 杂质 总和 密度 ρ /g·cm -3 热导率 λ /（10 -6 ·W·m -1 ·K -1 ） 线膨胀系数 α /℃ -1 6.0~8.0 余量 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.03 ≤0.1 ≤0.01 1.6 7.8 1.9 19.4×10 -6 C Si Mn P S Cr Ni Fe 0.11~0.17 ≤0.8 ≤0.8 ≤0.03 0.15~0.25 16.00~18.00 1.50~2.00 余量 钎焊间隙 2 通常同种金属材料或者线膨胀系数相近的异种材料钎焊时，钎焊间隙可以根据钎料种类和母材确定，因此室温下确定的间隙即为钎焊间隙。封严环零件由1Cr17Ni2及QAl7两种异种材料组成，两种金属在钎焊温度下的热膨胀量存在差异，在25~300 ℃时，QAl7的线膨胀系数是19.4×10 -6 /℃，1Cr17Ni2在不同温度下的线膨胀系数如 表3 表3 所示 ［ 5 5 ］ 。因此钎焊时会导致间隙发生变化 ［ 6 6 ］ ，在室温下难以确定合适的钎焊间隙。 温度 T /℃ 线膨胀系数 α /℃ -1 20~100 10.3×10 -6 100~200 10.3×10 -6 200~300 11.2×10 -6 300~400 11.8×10 -6 400~500 12.4×10 -6 此外，QAl7为板材加工成环形件，其刚度差、椭圆度大，这也是焊接间隙难以保证的原因之一。 冷却过程 2 钎焊完成后，在冷却阶段，由于两种材料的收缩速度不一致，铝青铜QAl7收缩快，不锈钢1Cr17Ni2收缩较慢，在内应力的作用下易导致钎焊缝开裂。同时，由于钎焊面积较大（S≈164×3.14×38=19 568 mm 2 ），易出现空穴、未焊合等缺陷。 工艺分析 1 钎料的选用及其预置 2 选用HBAg72CuNiLi作为钎料。银铜钎料钎焊不锈钢时，母材表面镀镍可提高银铜钎料的润湿性和铺展能力 ［ 5 5 ］ ；银铜钎料钎焊铝青铜时，在铝青铜上镀银既可防止母材中的Al向钎料扩散，也可防止钎焊时发生氧化，减少表面氧化物的产生。HBAg72CuNiLi的化学成分和基本性能如 表4 表4 所示。 Ag Cu Ni Li 熔化温度 T /℃ 钎焊温度 T /℃ 余量 25.7~27.3 0.4~1.3 0.4~0.6 766 766~871 HBAg72CuNiLi钎料熔化温度为766 ℃，Li元素具有自钎作用，可用于钎焊铜合金和不锈钢。零件结构为环形体，钎焊时采用厚度0.06 mm的箔带状钎料和直径1 mm的丝状钎料。由于铜环导电性良好，且待焊面进行了镀银处理，储能点焊时无法定位钎料，在装配过程中容易出现钎料脱落，因而预置钎料时，选择在不锈钢安装边内圆一侧储能点焊两层钎料，并且在安装边的凹槽里放置两圈丝状钎料作为补充。整个搭接面上均匀覆盖钎料，以减少未焊合、空穴等缺陷，提高钎焊质量。 钎焊间隙的确定 2 钎焊间隙是影响钎焊质量和接头性能的关键因素，在合适的钎焊间隙下，熔化的钎料通过毛细作用填充焊缝，间隙过大或过小都会影响毛细作用进而影响钎焊质量 ［ 8 8 ］ 。零件由铝青铜和不锈钢组成，两种材料线膨胀系数差异较大，因此需考虑钎焊温度下热膨胀系数差异造成的间隙变化，同时考虑零件尺寸、钎料流动性、钎料与母材反应强烈程度、零件装炉摆放位置等因素来确定室温时的钎焊间隙。 钎焊温度下，铝青铜比不锈钢膨胀更快，如果室温下预留的钎焊间隙为0.05~0.1 mm时，钎焊时间隙可能会变为0，导致没有熔融金属无法填充间隙，无法形成有效钎缝，因此需要增加室温下的钎焊间隙；但是间隙增加过大又会造成钎缝内形成较多的空穴，降低零件质量。选用的HBAg72CuNiLi钎料流动性良好 ［ 7 7 ］ ，为共晶钎料，结晶温度间隔小，间隙较小有利于获得质量良好的钎焊接头，考虑到零件入炉时垂直摆放的特点，初步确定钎焊间隙为0.18~0.20 mm。 钎焊工装 2 为了防止钎焊收缩过程中焊缝开裂，钎焊时增加钎焊工装，工装示意如 图2 图2 所示。工装材料为1Cr17Ni2，单边厚度约为25 mm。钎焊时，零件套在工装上，在收缩过程中工装的热量减缓了铜环的收缩速度，从而降低焊缝开裂的可能性，同时工装也可以撑圆铜环，减少焊后铜环的变形。为避免工装与零件连接，在工装表面喷涂氧化铝涂层。 钎焊工艺试验 1 模拟件制备 2 将零件结构进行简化，模拟成环状结构，高度与零件保持一致。加工1件1Cr17Ni2钢环和1件QAl7铜环，模拟件的厚度、直径和材料状态与零件保持一致。铜环外圆进行车加工时，与钢环内径实测尺寸配车保证钎焊间隙为0.18~0.20 mm。车削加工铜环内外圆时，采用一次装夹方式和小进给量，从而减小铜环的变形，保证零件圆度。 对模拟件钎焊面进行清洗，用蘸有酒精的脱脂棉擦拭干净后再进行预处理，在钢环内圆表面进行镀镍，铜环外圆表面进行镀银，镀层厚度控制在0.03~0.05 mm，完成后将零件用牛皮纸包起来，防止油污、杂质污染零件。 预置钎料前，用酒精清洗箔带状钎料的正反两面，去除钎料表面的粉尘、油污等杂物。在钢环内圆面通过储能点焊预置2层非晶体箔带状HBAg72 CuNiLi钎料，预置钎料的过程中应戴上干净的棉纱手套，防止对钎料和零件造成二次污染。装配完成后，用三坐标检测铜环和钢环的同心度，检测结果为0.02 mm，表明同心度良好，未出现因装配偏差造成的钎焊间隙不均匀。 模拟件钎焊 2 模拟件与工装一起入炉钎焊，钎焊前用塞尺检测钎焊间隙，确保符合工艺要求。采用意大利进口TPVH 100/100真空炉进行钎焊，有效区域炉温均匀性不大于±10 ℃，真空钎焊炉如 图3 图3 所示，符合GJB509 Ⅲ类炉子的要求。 钎焊参数如下：先预抽真空至炉内压强低于2×10 -2 Pa，真空度达到后开始升温，升温至700 ℃后，充氩气分压3~20 Pa，保温3~7 min，升温至870 ℃，保温8~12 min，随炉降温至700 ℃以下后，向炉内回充氩气至0.08~0.1 MPa，待炉温降至100 ℃以下后出炉。 焊后检验 2 外观检查 3 出炉后的零件如 图4 图4 所示，按Ⅱ级焊缝要求对模拟件进行外观质量检查，钎料熔化充分、圆根饱满，焊缝和母材均未发现裂纹、空穴、未焊合等缺陷，零件外观呈现光亮的金属色，无氧化，填充效果良好。符合HB7575-97中对Ⅱ级焊缝的质量要求。 水浸超声波探伤 3 受零件结构限制和灵敏度等原因，X光射线检测无法准确发现钎焊缝内部未焊合、夹渣等缺陷，故采用灵敏度较高的水浸超声波探伤检测。 超声波设备型号为LS-200，探头频率10 MHz，采用纵波水浸法垂直入射C扫描检测技术进行检测。先对校验标准件进行检验，在校验标准件上钻孔，人为制造缺陷模拟焊接缺陷，校验标准件的成分、组织状态、结构、焊接材料和焊接工艺与受检件相同。校验标准件的检测结果如 图5 图5 所示，模拟件检测结果如 图6 图6 所示。由 图6 图6 可知，钎焊面积大于90%，远高于技术文件规定的80%。 金相检测 3 为进一步检测钎焊缝内部质量，同时也为验证水浸超声波探伤的可靠性，对模拟件进行金相检查。采用“米”字型破坏，对称切取零件，该方法可以全面观测零件钎焊缝的内部质量。此次金相取样18件，上下对称，取样较多，能全面地反映焊缝内部质量。金相检测结果如 图7 图7 、 图8 图8 所示。 由 图7 图7 、 图8 图8 可知，接头组织由钎缝区和两侧界面反应区组成，钎料与母材冶金作用充分，钎料完全填充焊缝，未发现空穴、缩孔、裂纹、夹渣等内部缺陷，钎焊质量符合HB7575中Ⅱ级焊缝的要求，表明Ag-Cu钎料在钎焊过程中表现出了良好的润湿性和铺展性。铜侧银层已消失，银元素沿晶界渗入铜组织，不锈钢侧焊缝镍层和焊缝中的镍元素扩散入不锈钢的组织内，扩散厚度约为0.015~0.020 mm，钎焊缝组织接近共晶组织。金相图显示钎缝宽度为0.03~0.1 mm，表明设置的钎焊间隙比较合理，能获得良好的焊缝。钎焊温度下，二者由于线膨胀系数差异造成钎焊间隙减小，最终形成满意的钎焊接头。 工艺生产及应用 1 由模拟件可知，采用改进后的钎焊工艺能够获得良好的钎焊接头。室温下，需要增加钎焊间隙来弥补钎焊温度下膨胀量造成的间隙缩小，才能获得满意的钎焊质量，而且金相检测结果从另一方面验证了水浸超声波探伤的正确性，可以用来检测钎焊内部缺陷。通过上述工艺试验确定了封严环钎焊工艺路线为：车加工—清洗—预处理（镀银、镀镍）—预置钎料—装配—真空钎焊—车端面—外观检验—水浸超声波检查。 按照此工艺钎焊的零件通过发动机试车考核，后续零件再未发生钎焊缝开裂或铜环脱焊的问题，表明优化钎焊工艺后的零件质量良好，满足试车和后续使用要求，推进了型号研制进程。 结论 1 （1）采用钎料HBAg72CuNiLi钎焊由铝青铜QAl7和不锈钢1Cr17Ni2异种材料组成的封严环时，室温下预留钎焊间隙为0.18~0.20 mm，可以获得良好的钎焊质量。 （2）研究确定的钎焊温度870 ℃，保温8~12 min等钎焊参数、环形钎焊工装和车加工—清洗—预处理（镀银、镀镍）—预置钎料—装配—真空钎焊—车端面—外观检验—水浸超声波检查的钎焊工艺路线可以明显提高封严环的钎焊质量，满足某航空发动机封严环真空钎焊的要求。 （3）水浸超声波探伤可以检测钎缝内部的缺陷，检测结果与金相检测结果一致，钎焊铝青铜和不锈钢组成的封严环类零件时，可采用此方法检测钎焊质量。 参考文献 徐念 . 燃烧室机匣真空钎焊技术研究 ［J］. 金属加工（热加工） ， 2014 （ 6 ）： 85 - 86 . 燃烧室机匣真空钎焊技术研究 XU N . 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