0 前言

镍基高温合金因其优异的性能，在各个领域得到广泛应用，尤其在连接结构中的镍基高温合金零部件，往往是影响部件整体性能的关键环节。钎焊是镍基高温合金零部件制造过程中最常用的连接工艺，可以根据实际要求来设计或选用钎料，制备具有高强度、抗氧化、耐腐蚀等优异性能的钎焊接头，实现各零部件的可靠连接。文中将对适用于镍基高温合金钎焊的银基钎料、铜钎料、金基钎料和镍基钎料进行归纳、总结与展望。

1 镍基高温合金简介

镍基高温合金是以镍为基体，具有良好高温强度、组织稳定性和抗氧化腐蚀性能的一类合金，广泛应用在航空航天领域。图1为中国航空发动机用镍基高温合金的发展趋势[1]，在航空发动机的四大热端部件中，燃烧室和涡轮盘多使用变形高温合金，其中燃烧室壁的典型材料为GH3039和GH3044[2]，而涡轮盘所占质量最大，常见材料有GH4169合金；导向叶片和涡轮叶片所用材料则逐步从早期的变形镍基高温合金到普通铸造、定向凝固再到单晶高温合金，如GH4049，K403，DZ125，DD6等[3-4]。图2为Rolls-Royce航空发动机中各材料的具体分布[5]。目前镍基高温合金在先进航空发动机上的用量可达50%以上，故也被称作为“航空发动机的心脏”[6]。

  

图1 镍基高温合金的发展趋势

  

图2 Rolls-Royce航空发动机中常见材料分布

在高温合金实际应用中，经常需要将各高温工作部件焊接在一起。如在航空航天领域，为提高发动机的工作效率，导向叶片可采用多联结构[7]，或是对蜂窝封严环、发动机机匣等部件进行焊接，从而避免了传统的螺栓、螺钉连接结构，达到减重和简化结构的目的[8-9]。而在镍基高温合金的焊接中，由于其成分复杂，焊接性较差，容易出现热裂纹、晶间腐蚀和气孔等缺陷[10]，常规的焊接方法无法保证镍基高温合金的焊接接头质量，而钎焊能够在避免母材熔化的情况下，得到结构致密、变形小、综合性能高的焊接接头，并且能对各种复杂结构进行焊接，实现批量生产，因此钎焊成为镍基高温合金焊接最常用的连接方法。

2 镍基高温合金钎料的种类

镍基高温合金在钎焊过程中，需要考虑钎料的成分、熔化温度、润湿性以及生产成本等因素，因此钎料的选择很重要。在实际应用中使用的钎料主要有银基钎料、铜钎料、金基钎料以及镍基钎料[11-12]，以下对这4种钎料进行简要介绍。

(1) 银基钎料。银基钎料的工艺性能优良，具有良好的导电性、润湿性和抗腐蚀性能，是一种应用较广泛的硬钎料[13]。同时银基钎料的熔化温度普遍较低，一般为600～1 100 ℃ [14]，适用于钎焊服役温度相对较低的工件。

目前银基钎料主要是在Ag-Cu-X的基础上添加各类合金元素进行研究，适用于镍基高温合金钎焊的银基钎料中，主要有Ag-Cu-Zn-Sn系、Ag-Cu-Ti系、Ag-Cu-Pd系钎料，其接头钎缝中以Ag固溶体、Cu固溶体为主。

(2) 铜钎料。铜钎料包括纯铜钎料和铜基钎料，具有延展性高、蒸气压低、导电导热性能优良以及低成本等优点。使用纯铜作钎料时，其钎焊温度通常在1 100 ℃以上，并在真空或气体保护氛围下进行钎焊，但过高的钎焊温度会使母材发生晶粒长大等现象[15]。同时由于铜的抗高温氧化性能较差，故使用纯铜钎料钎焊的工件服役温度不宜超过400 ℃。铜基钎料的钎焊温度相对纯铜钎料要低，并且由于合金元素的加入，钎料的高温强度、润湿性、抗氧化性能等也得到相应改善，因此铜基钎料也是一类具有应用前景的钎料。

Khorram等人[12,26]采用Ag-Cu-Zn-Sn钎料激光钎焊Inconel 718合金，接头组织如图3a所示，钎缝中间部位主要由灰色块状的α-Cu固溶体(A)和白色区域的α-Ag固溶体(B)组成，接头室温抗拉强度可达338 MPa。图3b为Ag-Cu-Ti系钎料真空钎焊Inconel 600 合金的接头组织[27- 28]，可见钎料中的Ag，Cu元素在钎焊过程中向母材扩散，并形成富Ag相及富Cu相，同时母材中的Ni，Cr，Fe等元素在浓度梯度下向钎缝扩散，在界面处与钎料中元素形成反应层(Ni3Ti，CuTi等)，并由两侧向钎缝中央生长，当反应层生长至横跨钎缝时，接头抗剪强度最高为223 MPa。宋宇鉉等人[29]使用Ag-21Cu-25Pd钎料激光钎焊Inconel 600合金，接头拉伸断裂位置位于母材。但银基钎料成本较高，用相对廉价的元素降低钎料中银的含量或取代银将成为银基钎料的一个重要发展方向。表2列出了采用银基钎料钎焊镍基高温合金的工艺参数和室温下接头力学性能。

(4) 镍基钎料。镍基钎料是镍基高温合金钎焊中使用最普遍的钎料，它具有优异的高温强度、耐热腐蚀和抗氧化性能，钎焊温度通常在1 050～1 250 ℃。

3 钎料中常用添加元素及其作用

钎焊镍基高温合金所采用的钎料中，通常会加入各类合金元素来改善其综合性能。其中银基钎料常用添加元素有Cu，Ti，Pd，Zn，Sn，Cd，Ni，Ga，In等[11,17-20]；铜基钎料常用添加合金元素有Sn，Ag，Mn，Ti，Ni，B，Fe，Co等[11,15]；金基钎料常用添加元素有Ni，Cu，Pd，Ti，Cr，In等[11,16]；镍基钎料常用添加元素有Cr，Si，B，P，Fe，W，C，Mn[21-23]以及稀有元素Hf，Zr[24-25]等。各添加元素及其作用如表1所示。

父亲说，祖父早年离开家乡，远赴南洋经商，但他一直保持着中国的传统，时时告诫子女要做一个堂堂正正的中国人。对于祖父的遗训，父亲似乎一点也不敢怠慢，终其一生，他都奉为圭臬。

 

表1 4种钎料中常用添加元素及其作用

  

类型元素作用B-AgCu最主要的合金元素,增加钎料的流动性,降低成本,且不会形成脆性相。Ti活性元素,提高钎料的润湿性和接头强度。Pd改善钎料的润湿性,提高延展性,具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性,对母材溶蚀作用小。Zn降低熔点。Sn降低熔点,改善流动性,细化共晶组织,提高润湿性,但会产生脆性相,使加工性能变差,因此Sn含量(质量分数)不宜超过10%。Cd降低钎料熔点,改善流动性和润湿性,但具有毒性。Ni提高润湿性和接头强度,增加耐蚀性,净化晶界,但会稍微提高钎料的液相线温度。Ga降低钎料熔点,并具有很好的润湿性,同时使钎料成分均匀,细化组织。In降低钎料熔点,提高流动性,当含量小于5%(质量分数)时,提高接头强度。B-CuSn降低钎料的熔点,但含量过多时会损害接头加工性能。Ag降低钎料熔点,提高润湿性。Mn提高钎料的高温强度,降低熔点并改善润湿性。Ti提高钎料的抗氧化性能及接头强度。Ni提高耐腐蚀性能和高温强度,改善加工性能。B降低钎料熔点,含量过多则会引起接头脆化。Fe细化晶粒。Co提高高温强度。B-AuNi降低钎料熔点,提高钎料的高温强度、耐腐蚀性能,改善润湿性和流动性。Cu降低钎料的熔点与成本,并保持很好的塑性。Pd,Ti,Cr提高钎料的抗高温氧化性能以及耐腐蚀性能。In降低钎料熔点。B-NiCr提高钎料的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性能,促进钎料的润湿过程。当Cr含量为6%～20%(质量分数)时,Cr和Ni可形成固溶体,起固溶强化作用。Si降低钎料的熔点,提高钎料的流动性。Si含量过高时,将生成富硅脆性化合物相,因此钎料中的Si含量(质量分数)不宜超过6%。B降低钎料熔点,改善润湿性和流动性。B原子半径较小,扩散速度快,钎焊过程中容易扩散至母材,过多的B元素会引起溶蚀、晶界脆化等现象,故B元素含量一般控制在4%(质量分数)以内。P降低钎料熔点,有效提高润湿性,但过多的P会形成脆性化合物,同时加工性能较差。Fe起固溶强化作用,提高钎料的高温强度。W减少B对母材晶间渗入,提高钎料的高温强度。C降低熔点。Mn降低熔点,改善润湿性和提高流动性。但Mn的蒸气压较高, Mn含量过多时,不宜进行真空钎焊。Hf,Zr降低熔点,且不产生脆性相。

4 不同钎料钎焊镍基高温合金研究现状

4.1 银基钎料

继电保护系统可靠性评估时，应考虑到隐性故障因素，并对继电保护系统总体能效进行衡量。其中，在分析继电保护系统靠性模型的过程中，也可借助概率模型计算法，让继电保护系统通过自检处发现隐性故障。同时，增加继电保护系统隐性故障预警功能，从根本上降低隐性故障发生几率。

(3) 金基钎料。因金元素本身化学性质不活泼，不易被氧化腐蚀，并难以形成化合物，故金基钎料具有较强的抗高温氧化性能，且在钎焊过程中不易引入脆性相。同时金基钎料还具有蒸气压低、润湿性和流动性良好的优点，在电子及航空航天领域，金基钎料被广泛使用[16]。

  

图3 银基钎料钎焊镍基合金接头组织

 

表2 采用银基钎料钎焊镍基高温合金的工艺参数及接头力学性能

  

钎料母材钎焊方法钎焊温度T/℃钎焊时间t/min抗拉强度Rm/MPa抗剪强度Rτ/MPaAg-Cu-Zn-Sn[26]Inconel 718激光钎焊——338—Ag-Cu-Zn-Sn[26]Inconel 718真空钎焊7105348—Ag-Cu-Ti[28]Inconel 600真空钎焊86515—223Silver-ABA[30]Al/Inconel 600真空钎焊950280—Ag-10Pd[29]Inconel 600激光钎焊——450—Ag-21Cu-25Pd[29]Inconel 600激光钎焊——660—

4.2 铜钎料

研究组患者的手术相关指标,包括丙泊酚用量、瑞芬太尼用量、阿曲库铵用量、手术时间、术后苏醒时间均与对照组患者有明显差异,P<0.05。见表2数据。

适用于镍基高温合金钎焊的金基钎料多为Au-Cu系，Au-Ni系以及Au-Ni-Pd系钎料[11]，而在Au-Ni系中Au-18Ni和Au-17.5Ni钎料应用最为广泛。

Chen等人[31]利用纯铜箔带真空钎焊Inconel 625合金，最高抗剪强度达470 MPa，其接头组织如图4a所示。钎缝主要由灰色的Cu/Ni富集相基体(A)组成，同时Cu/Ni基体中分布着CrNi3析出物与白色的Cr/Mo/Nb/Ni四元化合物，界面处的块状区域(B)为母材颗粒与Cu的混合物；图4b为Lu等人[32]使用Cu-6Sn钎料真空钎焊Inconel 600合金的接头组织，钎缝由Cu/Ni富集相组成，同时在钎缝界面处出现一层黑色的Cr3C2碳化物，接头室温最高抗剪强度为353 MPa。采用铜钎料钎焊镍基高温合金的工艺参数和室温下接头力学性能如表3所示。

  

图4 铜钎料钎焊镍基合金接头组织

 

表3 采用铜钎料钎焊镍基高温合金的工艺参数及接头力学性能

  

钎料母材钎焊方法钎焊温度T/℃钎焊时间t/min抗拉强度Rm/MPa抗剪强度Rτ/MPa纯铜箔带[31]Inconel 625真空钎焊1 16030—470Cu-6Sn[32]Inconel 600真空钎焊1 08010—353Cu80-Ag20[33]Inconel 718激光钎焊——224—Cu28-Ag72[33]Inconel 718激光钎焊——249—

4.3 金基钎料

布鲁杆菌易侵犯全身组织器官，可引起多系统的复杂病变，其并发症在发生、发展过程中的作用越来越受到重视，以骨关节系统最为常见，心内膜炎和脑膜炎是布病中最常见的死亡原因。目前对布病的诊断主要依赖临床症状和实验室检查，由于布病临床表现多不典型，血培养阳性率低，对布病的早期诊断、早期治疗仍然面临重大挑战。

图5为采用Au-Ni-Pd系钎料红外线钎焊422 SS/Inconel 601合金接头组织[34]，钎缝中央主要由白色的富Au相与灰色的富Ni相组成，同时在422 SS界面处可检测到Fe/Ni富集相出现，钎缝中无金属间化合物形成。Song等人[29] 使用Au-18Ni钎料激光钎焊Inconel 600合金，接头拉伸时断裂在母材。但金基钎料的造价十分昂贵，许多应用领域望而生畏，在航空领域也仅用于发动机等高尖端部位。采用金基钎料钎焊镍基高温合金的工艺参数和接头力学性能如表4所示。

  

图5 70Au-22Ni-8Pd钎料钎焊422 SS/Inconel 601接头组织

 

表4 采用金基钎料钎焊镍基高温合金的工艺参数及接头力学性能

  

钎料母材钎焊方法钎焊温度T/℃钎焊时间t/min抗拉强度Rm/MPa抗剪强度Rτ/MPa70Au-22Ni-8Pd[34]Inconel 601/422 SS红外线钎焊1 0503—362(室温)Au-18Ni[29]Inconel 600激光钎焊——660(室温)—Au-17.5Ni[11]GH4169真空钎焊1 030—320(20 ℃)—Au-17.5Ni[11]GH4169真空钎焊1 030—220(538 ℃)—

4.4 镍基钎料

Ni-Cr-Si-B系钎料应用最为广泛，所得接头强度也较高，如Wu等人[37]使用BNi-2钎料真空钎焊Inconel 718和Inconel X-750合金，接头最高抗剪强度为503 MPa；李天文等人[38]使用BNi82CrSiB钎料真空钎焊GH586合金，接头室温抗拉强度为1 130 MPa，达母材强度的76%。Chen等人[39]使用MBF-51钎料(Ni-Cr-Si-B系)真空钎焊Inconel 625合金，其接头组织如图6a所示。钎缝中灰色区域主要为Ni/Cr固溶体基体，由于Si原子半径较大，扩散速度慢，故在钎缝中间部位形成富硅化合物(Nb6Ni16Si7)，B元素则沿晶界扩散，在母材晶界处形成硼化物。但硅化物及硼化物均为脆性相，会损害接头性能。

镍基钎料因与镍基高温合金母材成分相近，故在接头钎缝中多为Ni/Cr固溶体基体，但钎料中的B，Si等降熔元素在钎焊过程中易形成脆性化合物 [35-36]，因此根据实际需要调控B，Si等元素来规避有害相，将成为镍基钎料的研究重点。目前国内外使用的镍基钎料大多为Ni-Cr-Si-B，Ni-Cr-B，Ni-Cr-W-B，Ni-Cr-Si系钎料。

铜钎料中纯铜，Cu-Sn，Cu-Ag，Cu-Mn系钎料[15]较多地应用于航空工业中的中低温部位，如发动机燃油总管，即可使用铜钎料实现镍基高温合金与不锈钢的钎焊连接。使用铜钎料钎焊镍基高温合金时，因Cu与Ni能够无限固溶实现稳定的结合，同时母材中Ni能够提高铜钎料的高温强度和抗氧化腐蚀性能，故使用铜钎料能够得到性能优异的钎焊接头。铜的成本较低，也有利于铜钎料的广泛应用。

在钎焊过程中，由于钎缝中的硅化物不易通过扩散处理消除，为避免Si元素的影响，可采用不含Si的Ni-Cr-B钎料钎焊镍基高温合金。Ojo等人[40]使用NB150钎料及Amdry DF-3活性扩散钎料钎焊Inconel 738合金，接头900 ℃高温抗拉强度分别为318 MPa和402 MPa，达母材强度的70%和88%。图6b为采用Ni-Cr-B系钎料钎焊DD6/FGH96合金的接头组织[41]，钎缝主要由Ni/Cr固溶体基体组成，同时在基体中分布着少量(Mo，W)B，Ni3B等硼化物，而B元素则沿晶界向FGH96母材大量扩散，形成白色的(Mo，W)B化合物，但由于DD6为单晶结构，缺乏大角度晶界，故B元素难以向DD6母材处扩散。

对各变量进行相关性分析，结果显示了我们研究的几个重要变量之间的相关系数大小，其中学校和所处行政区的相关性是所有变量两两相关性最强的，其次是地铁与区域的相关性以及地铁与学校的相关性。

完善的管理制度与规范是信息化管理的基本保障。在影像科医疗设备的信息化管理与设备维护过程中，医院应该从长远考量，推动传统管理制度的优化，根据信息化管理与维护要求，构建新的管理制度与规范，如加强对设备信息化管理的监督，任用专业的监督人员，对设备管理与维护中的数据进行审核与检查，及时发现其中存在的安全隐患，对管理与维护工作做出纠正与指导，督促科室完成自检，提高信息化管理水平。

B元素由于原子半径小，扩散速度快，当钎料中B元素含量较多或钎焊温度过高、保温时间过长时，会产生溶蚀、晶间渗入等现象[42]，同时也会引起母材中Cr的贫化，使接头强度和抗腐蚀性能下降[25]。在钎料中加入W元素，将会抑制B元素的晶界扩散，从而提高接头的综合性能。刘文慧等人采用BNi68CrWB钎料钎焊GH783合金[43]，接头室温最高抗拉强度达701 MPa，650 ℃最高抗拉强度达696 MPa；杨敏旋等人采用BNi68CrWB钎料钎焊K42 /GH648合金[10]，接头断裂在K42母材。孙妍等人使用Ni-Cr-W-B系钎料钎焊K24/GH648合金[44]，其接头组织如图6c所示。钎缝中白色区域为WB，MoB2化合物，黑色区域为CrB，在GH648侧扩散区有(W，Cr)B化合物产生，Ni-Cr析出相沿晶界分布。

为避免B元素对母材所造成的溶蚀现象，可选用无硼钎料。图6d为采用Ni-Cr-Si钎料钎焊GH3128合金的接头组织[45]，Si在钎焊过程中由于浓度梯度向母材扩散，在母材界面处形成 (Ni，Cr，Mo，W)Si金属间化合物，同时由于扩散不充分，在钎缝中央会形成富硅化合物。其接头常温抗剪强度为416 MPa，900 ℃抗剪强度达210 MPa。

对降熔元素进一步研究，发现Hf，Zr在钎焊过程中不易产生脆性相，同时由于Hf，Zr的原子半径大，扩散速度慢，当钎焊时间较短时，对母材溶蚀作用也相对较小[24]，因此Hf，Zr将成为逐步取代Si，B的重要降熔元素。 Lugscheider等人[25]使用Ni-Hf基钎料钎焊Inconel 600合金与1.4301不锈钢，接头强度可达587 MPa。叶雷等人[24]使用以Hf，Zr为降熔元素的镍基钎料对IC10高温合金进行钎焊，接头900 ℃高温强度为698 MPa，达母材强度的90%以上。采用镍基钎料钎焊镍基合金的工艺参数和接头力学性能如表5所示。

  

图6 镍基钎料钎焊镍基合金接头组织

 

表5 采用镍基钎料钎焊镍基合金的工艺参数和接头力学性能

  

镍基钎料类别钎料母材钎焊方法钎焊温度T/℃钎焊时间t/min扩散温度Tp/℃扩散时间tp/h抗拉强度Rm/MPa抗剪强度Rτ/MPaBNi-2[37]Inconel 718/Inconel X-750真空钎焊1 1505———503(室温)BNi-2[46]Inconel 718激光钎焊————490(室温)—BNi-2[46]Inconel 600激光钎焊————500(室温)—BNi82CrSiB[47]K403真空钎焊1 06010—— 745～803(室温)275～364(室温)Ni-Cr-Si-BBNi82CrSiB[47]K403真空钎焊1 06010——355～575(900 ℃)196～252(室温)BNi82CrSiB[48]DZ22真空钎焊1 06045—— 853(室温)—BNi82CrSiB[48]DZ22真空钎焊1 06045——658(900 ℃)—MBF-51[39]Inconel 625真空钎焊1 18030——443(室温)—VZ2106[39]Inconel 625真空钎焊1 18030——300(室温)—BNi82CrSiB[38]GH586真空钎焊Tm+5060—— 1 130(室温)—BNi82CrSiB[38]GH586真空钎焊Tm+5060——310(930 ℃)—BNi81CrB[38]GH586真空钎焊Tm+5060——1 200(室温)—BNi81CrB[38]GH586真空钎焊Tm+5060——380(930 ℃)—Ni-Cr-BNi-Cr-B系[41]FGH96/DD6真空钎焊1 12010——437(室温)—Ni-Cr-B系[41]FGH96/DD6真空钎焊1 120101 00016913(室温)—NB150[40]Inconel 738真空钎焊1 120151 0654318(900 ℃)—AmdryDF-3[40]Inconel 738真空钎焊1 195151 0654402(900 ℃)—BNi68CrWB[43]GH783真空钎焊1 18010——701(室温)—Ni-Cr-W-BBNi68CrWB[43]GH783真空钎焊1 18010——696(650 ℃)—BNi68CrWB[44]K24/GH648真空钎焊1 150120———323(室温)BNi68CrWB[10]K24/GH648真空钎焊1 15030———600(室温)Ni-Cr-SiBNi71CrSi[45]GH3128真空钎焊1 25060——— 416(室温)BNi71CrSi[45]GH3128真空钎焊1 25060———210(900 ℃)Ni-HfNi-Hf-Cr[25]Inconel 600/SS 1.4301真空钎焊1 23510——587(室温)—Ni-Hf-Zr[24]IC10真空钎焊1 25010——698(900 ℃)—

5 结束语

钎焊镍基高温合金常用的钎料有银基钎料、铜钎料、金基钎料以及镍基钎料，其中银基钎料与铜钎料应用于中低温部件，金基钎料与镍基钎料主要应用于高温部件。钎料中所添加合金元素的主要作用为降低钎料熔点，提高高温强度和抗氧化腐蚀性能，改善钎料的流动性和润湿性，细化晶粒以及降低成本。

采用银基钎料、铜钎料与金基钎料钎焊镍基高温合金所得接头组织主要为相应的固溶体基体，脆性化合物较少，但钎缝基体的强度限制了接头总体强度。镍基钎料中由于含有B，Si等降熔元素，在接头中会生成硼化物、硅化物等有害脆性相。考虑生产成本，银基钎料与金基钎料将会分别朝低银、代银及低金、代金方向发展；降低铜基钎料的熔点，提高抗氧化腐蚀性能，朝着多元合金化方向发展，将是铜基钎料的研究重点；通过调控B，Si来减弱和规避脆性化合物的影响，或使用其它降熔元素(Hf，Zr等)替代B，Si，同时不引入新的脆性相，将是镍基钎料未来的重点发展方向。

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