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盤軸類轉(zhuǎn)動件的使用條件苛刻，因此在采用焊接工藝進行連接時，對焊接質(zhì)量提出了更高的要求。用于焊接式盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接技術除了要滿足變形小、無氧化、高強度以及高的焊接尺寸精度等要求外，還應針對商用航空發(fā)動機長壽命、高可靠性的特點，保證高的工藝質(zhì)量穩(wěn)定性要求。目前，電子束焊和慣性摩擦焊是商用航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件進行連接采用的主要焊接工藝。本文介紹了電子束焊和慣性摩擦焊工藝在盤軸類轉(zhuǎn)動件的應用情況，并分析、對比了焊接工藝及焊接接頭的組織與性能。

1盤軸類轉(zhuǎn)動件中的主要焊接工藝

電子束焊和慣性摩擦焊在國內(nèi)外先進航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件中已經(jīng)有比較成熟的應用，采用上述焊接工藝進行連接的盤軸類轉(zhuǎn)動件主要有：風扇盤、壓氣機盤/轂筒、渦輪盤軸組件。表1列出了電子束焊和慣性摩擦焊在國外先進商用航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件中的應用情況。由表1可知，國外在進行先進航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接工藝設計時，對電子束焊和慣性摩擦焊這兩種焊接方法有不同的選擇。其中，GE公司最先對轉(zhuǎn)動件采用慣性摩擦焊，其發(fā)動機中絕大部分轉(zhuǎn)動件，包括風扇盤、壓氣機轉(zhuǎn)子、渦輪盤軸組件等采用慣性摩擦焊；R.R.公司主要采用電子束焊，但隨著壓氣機壓比及出口溫度的增加，同時壓氣機末級盤采用粉末合金，R.R.公司也開始選用慣性摩擦焊，并建立了2000t的慣性摩擦焊生產(chǎn)線，在Trent1000發(fā)動機高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、渦輪后短軸和渦輪盤轉(zhuǎn)子組件上均采用了慣性摩擦焊；P&W公司對使用溫度較低的轉(zhuǎn)子部件主要采用電子束焊。

2盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接工藝性分析

材料的可焊性是焊接工藝性分析最重要的考慮因素，針對盤軸類轉(zhuǎn)動件中常用的材料，包括Ti17、IN718等，其電子束焊和慣性摩擦焊的可焊性均較好，可以獲得滿足設計需求的焊接接頭。但是，隨著新型高溫合金、粉末合金（如U720Li、Rene'88DT、RR1000等）在轉(zhuǎn)動件中的逐步應用，尤其對于異種材料的轉(zhuǎn)動件，電子束焊工藝難以獲得滿意的焊接接頭，主要原因是：（1）新型高溫合金中，含有高體積百分比的γ'強化相，成分復雜，熔焊時容易形成結(jié)晶裂紋、熱影響區(qū)液化裂紋和應變時效裂紋，而且這一問題隨著γ'相含量的增加而趨嚴重；（2）異種材料之間的焊接由于組織、熔點、熱導率、熱膨脹系數(shù)等的差異，在熔焊過程中會引起某些化學成分的擴散，造成組織偏析，并可能產(chǎn)生較大的熱應力，造成裂紋等缺陷；（3）由晶界液化而產(chǎn)生的微裂紋難以避免，而且難以通過無損檢測方法檢查出來。慣性摩擦焊的焊接過程是固相焊接，很好地避免了熔化焊過程中產(chǎn)生的裂紋問題和質(zhì)量檢測問題，因此，針對高溫盤軸類轉(zhuǎn)動件的同種/異種新型高溫合金的連接，慣性摩擦焊成為目前唯一可行的方法。正是由于在Trent1000發(fā)動機中應用了RR1000粉末高溫合金這種新型高溫合金，R.R.公司采用了慣性摩擦焊工藝連接盤軸類轉(zhuǎn)動件。另外，在先進航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件的結(jié)構(gòu)設計中，為了實現(xiàn)減重和降低成本的目的，異種材料的焊接，尤其是新型高溫合金的異種材料連接，成為航空發(fā)動機中盤軸類轉(zhuǎn)動件之間進行連接的新形式。GE公司已將異種材料的慣性摩擦焊應用于GE90發(fā)動機的盤軸類轉(zhuǎn)動件中，該發(fā)動機壓氣機8~10級轂筒中，既有IN718與Rene'88DT異種材料的焊接，也有Rene'88DT同種材料的焊接。R.R.公司也對U720Li、RR1000新型高溫合金相關同種材料以及異種材料的慣性摩擦焊工藝進行了研究。可以看出，對于普通的鈦合金、高溫合金等盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接，采用電子束焊或慣性摩擦焊都是可行的焊接方法。但針對新型高溫合金，尤其是新型高溫合金異種材料之間的連接，慣性摩擦焊是目前實現(xiàn)轉(zhuǎn)動件焊接唯一可行的方法。

3電子束焊和慣性摩擦焊接頭的組織與性能對比

電子束焊和慣性摩擦焊的焊接機理不同：電子束焊是熔化焊接，而慣性摩擦焊是固態(tài)焊接。因此，兩種焊接工藝對焊接接頭的組織狀態(tài)、晶粒大小和接頭性能也會產(chǎn)生不同的影響。

3.1鈦合金焊接接頭的組織與性能對比

航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件常用的鈦合金主要為Ti-6Al-4V、Ti17、Ti6246、Ti6242等，其主要應用的盤軸類轉(zhuǎn)動件為風扇盤和壓氣機低溫端。對于鈦合金，采用電子束焊和慣性摩擦焊兩種方法獲得的接頭組織不同，但接頭性能差別不大。以轉(zhuǎn)動件中常用的α-β型Ti17合金為例，其電子束焊接頭的焊縫區(qū)顯微組織中β相基體上分布著細長針狀α相，β晶粒尺寸為50μm~120μm；熱影響區(qū)顯微組織與母材組織一致，平均晶粒尺寸約為180μm[1]。慣性摩擦焊接頭為細晶的鍛造組織，熱影響區(qū)組織為α+β相，并且β相呈針狀均勻分布在α相的基體上，與母材組織相同，焊縫組織為細小的等軸晶，晶粒度小于母材[2]。Ti17合金的電子束焊和慣性摩擦焊的接頭組織相差較小，其接頭性能也差別不大：Ti17合金電子束焊接頭的抗拉強度和缺口敏感性均高于母材；其慣性摩擦焊接頭強度稍高于或等于母材強度，塑形略低于母材，接頭疲勞性能與母材相當。因此，在航空發(fā)動機鈦合金盤軸類轉(zhuǎn)動件焊接結(jié)構(gòu)中，電子束焊和慣性摩擦焊的應用均非常廣泛。

3.2高溫合金焊接接頭的組織與性能對比

在商用航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件中，應用最為成熟的高溫合金是IN718合金，隨著航空發(fā)動機壓比的提高，對盤軸類轉(zhuǎn)動件的使用溫度和性能提出了更高要求，因此，新型高溫合金U720Li、Rene'88DT、RR1000等成為高壓壓氣機高溫端的重要材料。

3.2.1同種高溫合金的電子束焊和慣性摩擦焊

（1）IN718合金。針對成熟盤軸類轉(zhuǎn)動件中的IN718合金，國內(nèi)外分別對其電子束焊和慣性摩擦焊接頭的組織和性能進行了系統(tǒng)深入的研究。在焊接過程中，電子束焊的焊縫區(qū)的溫度達到母材的熔化溫度（約1300℃），因此，電子束焊接頭的組織會發(fā)生較大的變化；慣性摩擦焊焊縫則是在強大的摩擦壓力和扭矩的聯(lián)合作用下形成的，熱變形金屬的動態(tài)再結(jié)晶過程進行得相當劇烈而充分，其晶粒組織呈細小均勻的等軸晶特征，同時由于焊接時間很短，致使動態(tài)再結(jié)晶過程充分而動態(tài)回復不足，最終得到細晶和超細晶組織。一般來說，在IN718合金母材晶粒度相同的情況下，電子束焊接頭為粗大的鑄造枝晶組織，晶粒會達到20μm~30μm，而慣性摩擦焊的焊縫組織為鍛態(tài)組織，晶粒度為10μm~20μm。另外，電子束焊接頭的熱影響區(qū)在焊接過程中的溫度一般會達到700℃~1200℃，即熱影響區(qū)處于熱處理狀態(tài)，晶粒長大使其成為接頭的最薄弱環(huán)節(jié)；而慣性摩擦焊熱影響區(qū)很小，且不存在晶粒長大現(xiàn)象，因此對焊接接頭性能無明顯影響。由于焊接接頭的組織差別較大，IN718合金在采用不同焊接方法后，其性能也有較大區(qū)別。電子束焊接頭由于組織粗大，通常其拉伸性能、斷裂性能、高溫斷裂韌度均低于母材[3-5]。而IN718合金在慣性摩擦焊過程中γ'強化相在鄰近焊縫處溶解，并不會發(fā)生沉淀，其接頭的組織仍是與母材相同的鍛態(tài)組織，同時晶粒度與母材相近，因此，其接頭的強度、塑性、顯微硬度和高溫持久性能一般接近甚至高于母材[6-7]。可見，IN718合金的電子束焊和慣性摩擦焊接頭在組織上存在較大差異，電子束焊接頭的粗大組織造成其接頭性能低于母材，而慣性摩擦焊接頭的細晶組織使得其性能接近甚至高于母材。（2）新型高溫合金。由于電子束焊是熔化焊過程，而新型高溫合金（U720Li、Rene'88DT、RR1000）中γ'強化相的體積百分比比較高，因此在電子束焊的熔化過程中容易產(chǎn)生各種裂紋缺陷，而慣性摩擦焊過程是固相焊接，通過發(fā)生塑性變形和流動進行連接，不會產(chǎn)生熔化，因此不會產(chǎn)生電子束焊接出現(xiàn)的缺陷問題。MTU公司開展多年的粉末冶金高溫合金慣性摩擦焊工藝研究，研究結(jié)果表明：慣性摩擦焊是焊接粉末高溫合金的最佳工藝方法，其中Udimet700、Waspaloy、IN100和Rene'95粉末高溫合金焊接接頭的力學性能接近母材或與母材等強。近幾年，國外先進航空發(fā)動機公司針對盤軸類轉(zhuǎn)動件的設計需求，聯(lián)合各高校對U720Li、RR1000、Rene'88DT、IN718等高溫合金同種材料之間的慣性摩擦焊進行了廣泛的研究。研究表明：U720Li、RR1000高溫合金在進行慣性摩擦焊時，由于發(fā)生溶解的γ'強化相在冷卻過程中發(fā)生大量沉淀，使得其在熱影響區(qū)的硬度和屈服強度較高[8]。在國內(nèi)，針對新型粉末高溫合金FGH96的慣性摩擦焊工藝尚處于研究階段。目前的研究結(jié)果表明，F(xiàn)GH96慣性摩擦焊接頭的拉伸曲線與母材基本相同；焊接接頭常溫拉伸的斷裂位置在接頭熱影響區(qū)細晶組織和粗晶組織的結(jié)合處，其斷裂方式為韌性斷裂[9]。

3.2.2異種高溫合金的電子束焊和慣性摩擦焊

為了追求高的壓氣機效率，先進航空發(fā)動機的壓氣機末級已開始采用新型高溫合金、粉末合金，因此異種材料的焊接結(jié)構(gòu)成為必要的結(jié)構(gòu)形式。在先進航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件中，異種高溫合金之間的連接主要涉及到IN718合金和新型高溫合金之間進行的連接。由于新型高溫合金中γ'強化相的體積百分比較高，成分復雜，異種材料之間的組織和物理性能方面存在較大差異，電子束焊可焊性較差，缺陷不易檢測，接頭性能不能滿足設計需求，因此，針對異種高溫合金轉(zhuǎn)動件，慣性摩擦焊成為唯一可行的焊接方法。從國外的研究結(jié)果中可以看出，U720Li+IN718、RR1000+IN718異種材料之間的慣性摩擦焊可焊性良好，其焊縫中無微小孔洞、微小裂紋和明顯的擴散現(xiàn)象[10]。U720Li+IN718慣性摩擦焊接頭性能一般高于較弱的母材，低于較強的母材，例如：其焊接接頭的屈服強度、650℃的疲勞性能高于較弱的母材IN718，低于U720Li；650℃的延伸率高于U720Li，低于IN718[11]。RR1000+IN718慣性摩擦焊接頭在焊后熱處理后，硬度高于IN718和RR1000母材，但由于晶界的氧化，裂紋的擴展速率較母材高[12]。

4圍繞商用航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件需開展的焊接工藝研究

電子束焊和慣性摩擦焊作為商用航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件制造的重要焊接工藝，已經(jīng)成功應用于國外多種先進商用航空發(fā)動機型號，同時，國外不斷開展對新材料和新結(jié)構(gòu)焊接工藝的研究，積累了大量試驗數(shù)據(jù)。國內(nèi)在這方面仍存在較大的差距，不能完全滿足商用航空發(fā)動機的研制需求，需要從以下兩個方面進行系統(tǒng)研究。（1）新材料/新結(jié)構(gòu)焊接工藝的研究。隨著國內(nèi)大客發(fā)動機研制項目的開展，盤軸類轉(zhuǎn)動件需要采用新材料和新結(jié)構(gòu)以滿足商用航空發(fā)動機長壽命、高可靠性和低成本等設計要求。但由于國內(nèi)針對新材料和新結(jié)構(gòu)的焊接技術研究基礎較為薄弱，因此需要盡快針對新材料（如新型鈦合金、高溫合金、粉末合金）開展相關焊接工藝研究，包括可焊性研究、組織與性能研究、焊前/焊后熱處理制度研究等。（2）焊接接頭性能數(shù)據(jù)的測試。盤軸類轉(zhuǎn)動件的載荷條件嚴苛，根據(jù)商用航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件的使用條件，主要對焊接接頭的以下性能，包括拉伸、沖擊、扭轉(zhuǎn)、蠕變、持久、疲勞等性能有明確要求，并且需要通過對焊接接頭進行斷裂韌性、裂紋擴展等性能的分析，對焊接結(jié)構(gòu)進行壽命預測。國內(nèi)目前針對盤軸類轉(zhuǎn)動件焊接接頭的性能數(shù)據(jù)測試不充分，需要系統(tǒng)地進行接頭性能數(shù)據(jù)的測試，為焊接結(jié)構(gòu)的設計提供數(shù)據(jù)支持。

5結(jié)束語

電子束焊和慣性摩擦焊作為商用航空發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件制造的重要工藝，已經(jīng)成功應用于國外多種先進商用航空發(fā)動機型號。隨著我國大客發(fā)動機研制項目的展開，對盤軸類轉(zhuǎn)動件的焊接工藝提出了長壽命、高可靠性等更高的要求，尤其是新材料在大客發(fā)動機轉(zhuǎn)動件中的應用，需要加快焊接技術的研究，實現(xiàn)焊接技術在大客發(fā)動機盤軸類轉(zhuǎn)動件中的工程化應用。

作者:張露 韓秀峰 王倫 單位:中航商用航空發(fā)動機有限責任公司