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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。
译 EN
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.
译 EN
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［
译 EN
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［
译 EN
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。
译 EN
封严环零件结构如
译 EN
图1 零件结构示意
Fig.1 Sketch of the seal ring
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高精图 |
低精图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
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| 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 |
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
译 EN
| 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。
译 EN
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 mm2），易出现空穴、未焊合等缺陷。
译 EN
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［
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| 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。
译 EN
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［
译 EN
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［
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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
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图2 封严环钎焊工装
Fig.2 Seal ring Vacuum brazing equipment
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高精图 |
低精图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。
译 EN
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。
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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
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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。
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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
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图3 真空钎焊炉
Fig.3 Vacuum brazing furnace
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高精图 |
低精图钎焊参数如下：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。
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3.3.1 外观检查
出炉后的零件如
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图4 零件外观
Fig.4 Product appearance
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高精图 |
低精图3.3.2 水浸超声波探伤
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。
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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
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图5 标准件检测结果
Fig.5 Standard test result
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高精图 |
低精图图6 模拟件检测结果
Fig.6 Simulated part test result
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高精图 |
低精图3.3.3 金相检测
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
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图7 上端焊缝金相组织
Fig.7 Metallographic figure of upper edge brazing joint
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高精图 |
低精图图8 下端焊缝金相组织
Fig.8 Metallographic figure of bottom edge brazing joint
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高精图 |
低精图由
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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。
译 EN
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。
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（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。
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（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。
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（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。
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