重型燃机蜂窝结构真空钎焊工艺技术研究

摘 要：重型燃机上蜂窝结构的钎焊采用了新钎料B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）。本项目针对重型燃机上蜂窝结构的特点，开展了用新钎料钎焊不同材料（GH536与1Cr18Ni9Ti 、GH4708和K4104）的钎焊接头性能测试，通过研究确定了蜂窝结构的钎焊工艺程序和工艺参数，钎焊的蜂窝结构零件满足技术条件要求。

关键词：蜂窝结构；真空钎焊

中图分类号：TK221文献标识码：A

1 引言

早在上世纪90年代初，美国航天领域的科学家在研究航天飞机液体燃料涡轮泵的密封问题时，通过试验发现蜂窝形状的密封结构可产生很好的封严效果。于是，蜂窝式密封开始在航天飞机、飞机发动机及燃气轮机上得到推广应用。所谓蜂窝结构是将正六边形的蜂窝孔规则排列的蜂窝芯钎焊于密封环内表面的组件，蜂窝的规格（六边形对边距离）有0.8mm、1.6mm、2.5mm等，蜂窝条带（六边形边）厚度为0.05mm、0.076mm、0.1mm等。蜂窝封严结构主要用于轴端密封、级间密封、叶顶密封、透平压缩机密封和鼓风机中的密封等，具有显著降低密封的泄漏量、有效抑制密封流体激振和有效减振去湿等特点，因此在航空发动机中和燃气轮机中为优选的封严结构。

在重型燃机上，为实现燃气的有效使用，减小损失，提高燃机的工作效率，在静止组件与旋转组件之间的气体封严广泛采用蜂窝封严结构。该结构的特点是允许转动部件与静止部件之间存在一定程度的相互干涉和摩擦，而不致损伤转动部件，具有较好的可磨蚀性，同时还具有抗冷热疲劳性能和高的热强性。在重型燃机上有30余封严组件采用蜂窝结构，封严组件中既有扇形段蜂窝封严件，也有叶片缘板蜂窝封严件，蜂窝的规格有0.8mm和1.6mm两种，蜂窝芯与壳体之间的连接采用真空钎焊工艺。本项目针对重型燃机上的蜂窝结构开展了真空钎焊工艺研究工作。

2 试验

2.1 材料

2.1.1 试验用材料

试验所用试样材料为1Cr18Ni9Ti 、GH4708、GH536和K4104合金，试验所用钎料为B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н），为粉末状钎焊料，粒度为-140目。

2.1.2 试样结构

拉伸试样的尺寸为Φ13×33，两个试棒对接，试棒结构如图1所示，在对接处放置B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）钎料。

剪切试样的尺寸为95×40×2.0（高温），45×25×2（室温），两个试片搭接并用储能点焊定位，试片结构如图2所示，在搭接处的一侧放置B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）钎料。

蜂窝结构试样是将GH536蜂窝钎焊到GH4708、GH536和1Cr18Ni9Ti试片上。

2.2 设备

钎焊试验是在VEQ5654-6真空钎焊炉中进行的，该设备的最高工作温度为1250℃，热态真空压力低于3×10-4乇，漏气率≤2.0Pa/h。

2.3 工艺

2.3.1 钎焊工艺参数

钎焊试验采用的工艺参数为：以10℃/min的速度升温至550℃，保温15min，再以7℃/min的速度升温至1000℃，保温20min，最后以5℃/min的速度升温至1100℃，保温10min钎焊，焊后随炉冷却至1000℃后进行快冷，冷却到100℃以下试样出炉，钎焊过程中真空压力低于4×10-2Pa（充氩快冷时除外）。

蜂窝结构试样的钎焊工艺程序是将B-Ni73CrSiB-40Ni-S钎料用特殊粘结剂制成粘带状，粘带厚度为0.4~0.6mm，将粘带钎料压入蜂窝芯格中，采用储能点焊把蜂窝与试片定位在一起，对装配后的试样进行烘干（140℃±10℃，1h），然后将蜂窝结构试样放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊参数同上。

2.3.2 钎焊后加工

试样钎焊后，将钎焊接头的拉伸和剪切试样加工成标准性能试样，进行接头的性能测试。蜂窝结构试样采用线切割的方法进行剖切，并进行金相检查，检查蜂窝结构的内部钎焊情况。

2.4 结果

试样钎焊后，将钎焊接头的拉伸和剪切试样加工成标准性能试样，进行接头的性能测试。

3 结果讨论与分析

钎焊接头的拉伸和剪切性能测试结果看，1Cr18Ni9Ti与GH536的钎焊接头，室温、500℃、700℃时钎焊接头的拉伸强度（σb）分别为319MPa、294 MPa、277 MPa，1Cr18Ni9Ti材料室温和700℃时的拉伸强度σb≥540MPa和σb=284MPa，则1Cr18Ni9Ti与GH536的钎焊接头的强度系数约为59%和97%；GH4708与GH536的钎焊接头，室温、500℃、700℃时钎焊接头的拉伸强度（σb）分别为345mPa、295 mPa、225 mPa，GH536材料室温和700℃时的拉伸强度σb≥725mPa和σb=435mPa，GH4708与GH536的钎焊接头的接头强度系数约为48%和52%；K4104与GH536的钎焊接头，室温、500℃、700℃时钎焊接头的拉伸强度（σb）分别为437mPa、347 mPa、340 mPa，与GH536材料室温和700℃时的强度相比，K4708与GH536的钎焊接头的接头强度系数约为60%和78%。由上述分析结果看，不同材料组合的钎焊接头强度系数有所不同，主要是由于各种材料本身的强度不同造成的，但在同一温度下，各种材料组合的钎焊接头均有较好的强度，同时1Cr18Ni9Ti与GH536、 GH4708与GH536的钎焊接头在室温、500℃、700℃时也具有较好的剪切强度。

从金相照片上看，蜂窝与试片的焊接质量很好，钎料润湿试片并填充钎焊间隙，蜂窝条带厚度没有减薄，说明钎料B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）在确定的工艺参数下对GH536合金没有溶蚀倾向，能够满足蜂窝结构的钎焊要求。

结论

4.1用B-Ni73CrSiB-40Ni-S（ВПр11-40Н）钎料钎焊（1Cr18Ni9Ti、GH536、GH4708）与GH536合金，其钎焊接头室温和高温下具有较好的瞬时抗拉强度和抗剪强度，在确定的钎焊工艺参数下，钎料对GH536蜂窝材料无溶蚀倾向。

4.2 采用确定的钎焊工艺程序，能够钎焊出满足使用要求的蜂窝结构零件。

参考文献

[1]张启运，庄鸿寿.钎焊手册.[M]北京：机械工业出版社，2008（09）.

[2]航空制造工程手册--焊接分册

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