引言

高溫合金是一種以 Fe、Ni、Co 為基，可在 600℃以上高溫下保持力學穩定性，其具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能，以及良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。按照基體的不同，劃分為鎳基高溫合金、鐵基高溫合金、鈷基高溫合金等，其中鎳基高溫合金又分為耐熱合金、耐腐蝕合金、耐磨合金、精密合金及形狀記憶合金等種類。鎳基高溫合金目前被廣泛應用于航天航空、化工設備、能源設備、醫療器械、電子工業及建筑領域等 [1-2]。

GH4738 是一種加工塑性好、力學和微觀組織性能穩定的鎳基高溫合金，可應用于航空渦輪盤、導葉內環等大構件的主材 [3]。GH3536 是一種冷熱加工性能良好、熱強性高的鎳基高溫合金，在航空發動機上應用較為廣泛 [4]。如果將 2 種合金進行有效連接，可充分發揮各自的性能優勢，從而實現在航天航空領域更廣闊的應用。釬焊具有如下優勢 [5-8]：①加熱溫度低，接頭更平滑，變形小，適合加工精密器件；②可對同種金屬或者異種金屬進行焊接；③可對多個焊件、多個接頭同時進行焊接，生產效率較高；④焊接設備簡單，經濟性好。然而，釬焊也存在一定的缺陷，釬焊接頭的強度和耐熱性較差，限制了其應用，因此，提高釬焊接頭的相關性能格外重要。

本文針對 GH4738 和 GH3536 這 2 種鎳基高溫合金，采用真空釬焊工藝對其進行焊接，通過試驗探討了多種參數對接頭抗剪強度和微觀組織的影響，確定了相對較優的 2 種鎳基高溫合金釬焊工藝參數，可為 2 種合金在航天航空中的進一步應用提供借鑒。

1、試驗概況

1.1 試驗材料

GH4738 合金主要化學成分見表 1。該型號合金采用真空感應熔煉 + 電渣重熔 + 真空自耗重熔的三聯工藝方式進行熔鑄，然后采用熱軋開坯工藝將合金鍛造為所需要的坯料，最后通過固溶 (1020℃×4 h∕油冷)+ 時效 (845℃×4 h∕空冷 + 760℃×16 h∕空冷) 的熱處理方式進行處理。

表 1 GH4738 合金主要化學成分 (質量分數)（%）

C	Co	Mo	Ti	Al
0.06	13.5	3.15	1.9	1.4

GH3536 合金主要化學成分見表 2。該型號合金采用真空感應熔煉 + 電渣重熔工藝方式進行熔鑄，然后將其進行固溶 (1175℃×4 h∕油冷)+ 時效處理 (850℃×4 h∕空冷 + 780℃×16 h∕空冷)，最后經冷軋、退火、波紋帶制作、點焊等工藝制作成蜂窩狀結構。

表 2 GH3536 合金主要化學成分 (質量分數)（%）

C	Cr	W	Mo	Fe	B	Ni
0.1	22	1.5	9.0	19.855	0.005	47.445

BNi-2 釬料主要化學成分見表 3。

表 3 BNi-2 釬料主要化學成分 (質量分數)（%）

C	Si	B	Fe	Ni
0.06	4.5	3.08	3.0	余量

1.2 試驗方案

本次試驗采用真空釬焊工藝 [9-10]，影響釬焊質量的因素包括釬焊溫度、釬焊保溫時間及釬焊接頭間隙等，釬焊溫度設置 1030、1040、1050、1060、1070℃ 5 種情況，釬焊保溫時間設置 10、40、180 min 3 種情況，釬焊接頭間隙設置 30、50、100 μm 3 種情況，具體試驗方案見表 4。

表 4 真空釬焊試驗方案

試驗編號	釬焊溫度 ∕℃	釬焊保溫時間 ∕min	釬焊接頭間隙 ∕μm
S1~S5	1030、1040、1050、1060、1070	10	100
S6~S8	1040	10、40、180	100
S9~S11	1040	10	30、50、100

1.3 試驗方法

(1) 采用電火花線切割法將 GH4738 合金和 GH3536 合金統一切割成 50 mm×20 mm×2 mm 的薄片；

(2) 采用機械法去除合金表面的加工痕跡和氧化皮等雜質，并打磨光滑；

(3) 采用丙酮和酒精依次對清理的合金進行清洗，尤其要對焊接部位進行仔細清洗；

(4) 在 2 個合金之間夾放釬料，完成焊接合金的裝配定位，并沿著釬縫周圍涂敷釬料；

(5) 按照表 4 試驗方案分別進行接頭真空釬焊加工，如圖 1 所示；

(6) 對焊后試件進行微觀組織掃描和抗剪強度試驗。

2、釬焊溫度的影響

2.1 釬焊溫度對接頭抗剪強度的影響

接頭抗剪強度和 GH4738 合金晶粒大小隨釬焊溫度的變化規律如圖 2 所示。由圖 2 可知：隨釬焊溫度增大，接頭抗剪強度未呈現明顯的變化趨勢，在 1030~1070℃釬焊溫度下，接頭抗剪強度在 309~325 MPa 波動；當釬焊溫度為 1040℃時，抗剪強度最大，達到 325 MPa。GH4738 合金平均晶粒大小分為兩階段變化特征，當釬焊溫度為 1030~1050℃時，晶粒大小基本保持不變，在 45~48 μm 變化；當釬焊溫度超過 1050℃，GH4738 合金的晶粒會迅速增大，從 48 μm 增大至 116 μm。

2.2 釬焊溫度對接頭微觀組織的影響

不同釬焊溫度接頭的微觀組織形態如圖 3 所示。由圖 3 可知：當釬焊溫度較低時，GH3536 合金的蜂窩狀結構保持得比較完整，隨溫度的升高，蜂窩狀結構逐漸溶蝕到釬料中，當溫度達到 1070℃后，GH3536 合金蜂窩狀結構基本完全溶蝕；同時，GH4738 合金也會逐漸發生溶蝕，但溶蝕速度小于蜂窩狀結構，當溫度達到 1070℃后，GH4738 合金的溶蝕深度達到了 50 μm，因而蜂窩接頭由丁字形轉變為兩側明顯的凹坑。當釬焊溫度為 1040℃時，焊縫結構最為完整，且無明顯的孔洞缺陷，同時抗剪強度相對最高，因而選取 1040℃作為 GH4738 合金和 GH3536 合金的釬焊溫度。

3、釬焊保溫時間的影響

3.1 保溫時間對接頭抗剪強度的影響

不同保溫時間下接頭抗剪強度試驗結果如圖 4 所示。由圖 4 可知：當保溫時間從 10 min 延長至 40 min 后，接頭抗剪強度從 325 MPa 提升至 360 MPa，當繼續延長保溫時間至 180 min 后，釬焊接頭的抗剪強度不再有明顯變化，這是因為適當延長保溫時間可降低非等溫凝固區的面積，從而使焊縫的強度得到加強。從提升接頭抗剪強度來講，最佳保溫時間為 40 min。

3.2 保溫時間對接頭微觀組織的影響

不同釬焊保溫時間下接頭微觀組織形態如圖 5 所示。由圖 5 可知：當保溫時間為 10 min 時，GH3536 合金的蜂窩狀結構還比較完整，但是當保溫時間延長后，GH3536 合金的蜂窩狀結構逐漸被溶蝕，完整性遭到破壞；當保溫時間為 40 min 時，蜂窩狀結構基本被破壞殆盡，而在 180 min 保溫時間下，還出現了母材合金大面積溶蝕的現象，因此，保溫時間不宜過長，以 10 min 為宜。

4、釬焊接頭間隙的影響

4.1 接頭間隙對接頭抗剪強度的影響

不同接頭間隙下釬焊接頭抗剪強度試驗結果如圖 6 所示。由圖 6 可知：隨接頭間隙增大，接頭抗剪強度逐漸減小，從 30 μm 時的 436 MPa 降低至 100 μm 時的 325 MPa，降低幅度為 25.5%，這是因為降低接頭間隙后，可有效消除和減少焊縫中心析出硼化物等有害相，導致焊縫實現等溫凝固，因此在釬焊裝配過程中應嚴格控制接頭間隙，最好將接頭間隙控制在 30 μm 以內。

4.2 接頭間隙對接頭微觀組織的影響

不同接頭間隙下釬焊接頭的微觀組織形態如圖 7 所示。由圖 7 可知：接頭間隙為 100 μm 時，在接頭中心區域與兩側存在明顯區別，中間黑色區域為非等溫凝固區，非等溫凝固區主要由于元素擴散不充分所引起，故而接頭間隙不宜過大；當接頭間隙降至 50 μm 時，中間的非等溫凝固區的寬度明顯縮小，平均寬度由 50 μm 降至 20 μm；當接頭間隙減小至 30 μm 時，中間的非等溫凝固區基本消失，且釬料中降熔元素向兩側母材合金擴散的現象也明顯減小。因此，接頭間隙的減小不僅可實現等溫凝固，還可減輕有害物質對母材合金的侵蝕，起到了很好保護母材本身性能的作用。

5、結論

針對 GH4738 和 GH3536 航空用鎳基高溫合金釬焊連接需求，采用真空釬焊工藝，探討了釬焊溫度、釬焊保溫時間及釬焊接頭間隙對釬焊接頭抗剪強度和微觀組織的影響，得出如下結論：

(1) 釬焊溫度對接頭抗剪強度的影響不大，但隨釬焊溫度的升高，GH4738 合金的晶粒會變大，溶蝕程度加劇；GH3536 合金的蜂窩狀結構也會逐漸溶蝕到釬料中，不利于蜂窩狀結構的完整性。

(2) 隨保溫時間適當延長，可提升接頭的抗剪強度，但當保溫時間延長后，蜂窩狀結構和母材合金溶蝕越來越嚴重，不利于結構完整性。

(3) 接頭間隙越大，非等溫凝固區的寬度越大，抗剪強度越小，且焊縫中心的有害物向母材合金擴散越明顯。

(4) GH4738 和 GH3536 合金的最佳釬焊工藝參數為：釬焊溫度 1040℃，保溫時間 10 min，接頭間隙不大于 30 μm。

參考文獻

[1] 宋曉國，胡繼旭，林丹陽，等。航天用鎳基高溫合金粉末床熔融技術研究進展 [J]. 航天制造技術，2024 (3): 1-14.

[2] 吳宇，陳冰清，劉偉，等。增材制造鎳基高溫合金在航空發動機與燃氣輪機中的研究應用進展 [J]. 航空材料學報，2024, 44 (1): 31-45.

[3] 楊成斌，李振團，曲敬龍，等。長期時效對 GH4738 合金組織性能的影響 [J]. 材料熱處理學報，2024, 45 (9): 160-168.

[4] 王成，陳冰清，周標，等. GH3536∕DD6 異質合金激光搭接焊對母材組織和性能的影響 [J]. 焊接，2024 (7): 50-57.

[5] 蔡沛沛，蔡志紅，林業偉，等。粉狀鋁釬焊材料大面積釬焊鋁合金∕不銹鋼的研究 [J]. 焊接技術，2024, 53 (10): 108-112, 146.

[6] 高德君，武紹旺，楊生旭，等。高溫時效對 TA1∕TC4 釬焊接頭組織與性能的影響研究 [J]. 機械工程學報，2024, 60 (14): 109-116.

[7] 賀彤，王詩洋，李可馨，等�；旌镶F料對鎳基單晶高溫合金大間隙釬焊接頭組織和性能的影響 [J]. 焊接，2024 (6): 1-8.

[8] 賀文燮，張元偉，任海水，等. DD26 單晶高溫合金釬焊接頭微觀組織與力學性能研究 [J]. 航空制造技術，2024, 67 (10): 102-106, 114.

[9] 鄭超，胡生雙，王浩軍，等。真空搭接釬焊 TC4 鈦合金接頭的組織及力學性能 [J]. 金屬熱處理，2024, 49 (10): 92-95.

[10] 金瑩，劉紅亮，魏鑫，等. GH4738∕GH3536 異種高溫合金釬焊接頭的組織與性能 [J]. 焊接，2023 (10): 18-22, 30.

（注，原文標題：航空用鎳基高溫合金釬焊連接工藝優化研究）

---

tag標簽:航空航天應用,真空釬焊,工藝優化,GH4738合金,GH3536合金

---