常用金属焊接性之高温合金的钎焊

常用金属焊接性之高温合金的钎焊

高温合金是在高温下具有较好的力学性能、抗氧化性和抗腐蚀性的合金。这类合金可分为镍基、铁基和钴基三类；在钎焊结构中用得最多的是镍基合金。镍基合金按强化方式分为固溶强化、实效沉淀强化和氧化物弥散强化三类。固溶强化镍基合金为面心立方点阵的固溶相，通过添加铬、钴、钨、钼、铝、钛、铌等元素提高原子间结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，阻止位错运动，提高再结晶温度来强化固溶体。沉淀强化镍基合金钢是在固溶强化的基础上添加较多的铝、钛、铌、钽等元素而形成的。这些元素除形成强化固溶体外，还与镍形成Ni3(Al、Ti)γ’或Ni3(NbAlTi)γ”金属间化合物相；同时钨、铜、硼等元素与碳形成各种碳化物。TD-Ni和TD-NiCr合金是在镍或镍铬基体中加入2%左右弥散分布的ThO2颗粒，产生弥散强化效果的新型高温合金。

一：钎焊性

高温合金均含有较多的铬，加热时表面形成稳定的Cr2O3，比较难以去除；此外镍基高温合金均含铝和钛，尤其是沉淀强化高温合金和铸造合金的铝和钛含量更高。铝和钛对氧的亲和力比铬大得多，加热时极易氧化。因此，如何防止或减少镍基高温合金加热时的氧化以及去除其氧化膜是镍基高温合金钎焊时的首要任务。镍基高温合金钎焊时不建议用钎剂来去除氧化物，尤其是在高的钎焊温度下，因为钎剂中的硼砂或硼酸在钎焊温度下与母材起反应，降低母材表面的熔化温度，促使钎剂覆盖处的母材产生溶蚀；并且硼砂或硼酸与母材发生反应后析出的硼可能渗入母材，造成晶间渗入。对薄的工件来说是很不利的。所以镍基高温合金一般都在保护气氛，尤其是在真空中钎焊。母材表面氧化物的形成和去除与保护气氛的纯度以及真空度密切相关。对于含铝和钛低的合金，热态真空度不应低于10-2Pa；对于含铝钛较高的合金，表面氧化物的去除不仅与真空度有关，而且还与加热温度有关。

无论是固溶强化，还是沉淀强化的镍基高温合金，都必须将其合金元素及其化合物充分固溶于基体内，才能取得良好的高温性能。沉淀强化合金固溶处理后还必须进行时效处理，已达到弥散强化的目的。因此钎焊热循环应尽可能与合金的热处理相匹配，即钎焊温度尽量与热处理的加热温度相一致，以保证合金元素的充分溶解。钎焊温度过低不能使合金元素完全溶解；钎焊温度过高将使母材的晶粒长大，这些均对母材

性能产生不利影响。由于钎焊温度过高而导致晶粒长大后，即使经过焊后热处理也不能恢复其性能，这一点在选择钎料和制定钎焊规范时是必须考虑的。铸造镍基合金的固溶处理温度都较高，并且晶粒不易长大，一般不会发生因钎焊温度过高而影响其性能的问题。

二：钎料

高温合金通常在恶劣的条件下工作，选用钎料时首先应满足工作条件的要求，也要考虑钎焊加热对母材本身性能的影响以及钎焊接头是否能经受随后的热处理过程。

（1）银基钎料

当工件的工作温度不高时可采用银基钎料。用银基钎料钎焊固溶强化镍基合金时，钎焊的温度对母材性能不起任何影响，可以选用的钎料种类比较多，但从避免应力开裂的角度出发，宜采用熔化温度低的钎料，以减小钎焊加热时形成的内应力。

用银基钎料钎焊沉淀强化镍基合金时，所选用的钎料的钎焊温度不应超过母材的时效强化温度，以免母材发生过时效而降低其性能。另外也可以先将合金固溶处理，再采用熔化温度稍高的钎料，在高于合金的时效温度下钎焊，然后进行时效处理，钎焊件就不会在时效加热过程中因钎料的熔化而发生错位。

（2）纯铜钎料

用纯铜作钎料时均在保护气氛和真空下钎焊，钎焊温度为1100℃～1150℃。在该温度下零件的内应力已被消除。又因零件整体加热，热应力小，焊件不会产生应力开裂现象。铜在高温合金上的流动性差，钎料应放在紧靠接头的地方。铜的抗氧化性差，工作温度不能超过400℃。

（3）镍基钎料

镍基钎料是高温合金最常用的钎料，因镍基钎料具有最好的高温性能，钎焊时也不会发生应力开裂，用于高温合金钎焊的镍基钎料列于表3.9-22。其中BNi74CrSiB、BNi75CrSiB、BNi82CrSiB、BNi92SiB、BNi93SiB 和BNi71CrSi在前文不锈钢钎焊中已有介绍。

表3.9-22高温合金钎焊常用的镍基钎料

BNi68CrWB钎料同Ni-Cr-Si-B钎料相比，它的特点是含B量降低到2.5%，含W量高达12%。钎料含硼量的降低可减少硼对母材的晶间渗入，即减弱钎料同母材的反应；钎料中的钨可强化钎料，提高钎料的高温强度。由于硼含量的降低和钨的加入，钎料的熔化温度间隔增大，流动性变差，可填满宽达200μm的间隙，是钎焊高温工作的部件和涡轮叶片补钎时常用的钎料。170钎料的含W量更高达16%，钎料的液相线也提高到1160℃，钎料的流动性进一步将低，能够填充宽达400μm的间隙。这两种含钨的钎料特别适用于在高温下工作的工件，间隙不易控制或者间隙较大的接头，也适用于钎焊铸造镍基高温合金。

150钎料为镍铬硼共晶合金成分，它的脆性比镍铬硼硅钎料低。为了使钎焊接头具有良好的加工性能，建议在高于钎焊熔点100℃的温度下钎焊。

160钎料的含硼硅量比较低，因此钎料的硬度较低，钎焊接头的加工性能得到改善。但钎料的结晶温度区间增大，流动性差，可用此钎料钎焊比较宽的间隙，同时可形成较大的钎缝圆角。

180钎料的含B量很低，只有1%，使钎料同母材的反应减弱，即硼的晶间渗入进一步减少，但钎料的结晶间隙也变得很大，是镍基钎料中熔化温度区间最大的一种。它的流动性差，可以填充宽达650μm的间隙，特别适用于钎焊间隙大或者不等间隙的工件，同时形成较大的钎缝圆角。

200钎料是在BNi82CrSiB钎料的基体上加入6%的W，钎料的液相线提高不多，但钎焊接头比用BNi82CrSiB 钎料钎焊的具有更好的高温持久强度。

BCo1是钴基钎料，具有特别好的高温性能，可钎焊工作温度高达1040℃，甚至1150℃的部件。