隨著航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展，飛行器、深空探測(cè)器等航空航天裝備正朝著更長(zhǎng)航行時(shí)間、更高承載能力和更高機(jī)動(dòng)性能等方向發(fā)展[1-3]。這對(duì)航空航天用材料在高溫、高壓、高負(fù)荷苛刻環(huán)境下的服役情況提出了更高的要求。同時(shí)，對(duì)高溫釬焊材料的技術(shù)需求也日益增高[4-5]。鎳基高溫合金常用于渦輪葉片、渦輪盤、燃燒室、導(dǎo)向葉片等現(xiàn)代航空航天關(guān)鍵熱端部件結(jié)構(gòu)中，其內(nèi)部的連接方式主要為釬焊[6-7]。隨著服役工況越發(fā)嚴(yán)苛，需要其釬料具備更加優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、耐蝕性和抗高溫氧化性能；輕質(zhì)高強(qiáng)金屬如鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)因其良好的隔熱、降噪、抗沖擊等性能，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪轂以及飛行器的蒙皮結(jié)構(gòu)中[8-9]。釬焊是制備鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的常用方法，但目前其釬焊接頭的主要問題是強(qiáng)度較低，需要研發(fā)新型釬焊材料來抑制接頭內(nèi)脆性化合物生成，進(jìn)而提高鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量；陶瓷及其復(fù)合材料在飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部件領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，但其在服役過程中容易出現(xiàn)氧化開裂等現(xiàn)象，因此對(duì)先進(jìn)陶瓷材料釬焊修復(fù)與連接技術(shù)研究的重要性日益凸顯[10]。

根據(jù)釬料內(nèi)主要元素的不同，高溫釬料可以分為鎳基高溫釬料、鈦基高溫釬料、鈷基高溫釬料、錳基高溫釬料、貴金屬高溫釬料以及高溫用高熵釬料等。高溫釬料有2個(gè)主要特征，一是釬焊溫度較高，一般高于900℃；二是服役溫度較高，因此相較于一般釬料，高溫釬料與母材的液相線溫度相差較小，二者之間會(huì)存在一定程度的元素?cái)U(kuò)散，這也會(huì)對(duì)母材的性能產(chǎn)生一定的影響[11]。由于服役工況的要求，接頭必須長(zhǎng)期在高溫下具備良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，釬料種類、成分以及釬焊工藝對(duì)高溫釬焊接頭的服役性能影響顯著。本文將對(duì)上述各類航空航天領(lǐng)域常用高溫釬料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分類總結(jié)，并從釬料的成分、釬焊工藝以及材料計(jì)算模擬等方面，對(duì)航空航天用高溫釬料近年來的最新理論與技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行歸納梳理，以期為該領(lǐng)域的未來發(fā)展指明方向。

1、鎳基高溫釬料

1.1鎳基釬料

鎳基釬料是一種在航空航天領(lǐng)域內(nèi)最常用的釬料，其熔化溫度一般在800~1200℃。鎳基釬料中常添加的元素包括Cr、Si、B、Fe、P、C等，此外還有研究人員通過添加Al、Ti、Co、W、Mo、V、Hf、Nb、Zr、Mn等元素來改變鎳基釬料的性質(zhì)。

不同元素的添加會(huì)改變鎳基釬料的性能。Cr的主要作用是增大抗氧化、耐腐蝕能力及提高釬料的高溫強(qiáng)度；Si可降低熔點(diǎn)，增加流動(dòng)性；B和P是降低釬料熔點(diǎn)的主要元素，能改善潤(rùn)濕能力和鋪展能力；C可以降低釬料的熔化溫度，而對(duì)高溫強(qiáng)度沒有多大的影響；少量的Fe可以提高釬料的強(qiáng)度[12]；Al與Ti元素會(huì)使釬料合金發(fā)生沉淀強(qiáng)化現(xiàn)象；Co、W、Mo、V都起到固溶強(qiáng)化作用；Hf和Nb能提高釬料合金的沖擊韌性和拉伸塑性；Zr、Mn元素是活性元素，能提高釬料的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性。

在航空航天領(lǐng)域內(nèi)常用的鎳基高溫釬料常添加Al、Ti、Cr、W等元素，以此提升飛行器制造材料的潤(rùn)濕性和高溫性能，從而滿足應(yīng)極端條件下的服役要求。

1.2鎳基高溫釬料的成形特點(diǎn)

鎳基高溫釬料主要分為3種形態(tài)：軋制帶材、非晶粉末和非晶箔帶。對(duì)于塑性和韌性較好的釬料合金，可以采用軋制方式制成帶使用，如常見的B-Ni2釬料帶[13]；而對(duì)添加一定量的Si、B、P等非金屬元素的釬料而言，其脆性更大，有時(shí)難以軋制成帶，需要制成粉末狀使用。常用的制粉方法包括離心霧化法和氣霧化法等[14]。離心霧化制粉法在一些國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，可以用于制備連接高溫合金的焊料[15]，但對(duì)設(shè)備要求高，工藝流程長(zhǎng)，成本高效率低。氣霧化法是目前材料制粉行業(yè)中最常用的方法，已經(jīng)占據(jù)了八成以上的市場(chǎng)[16]。

非晶箔帶釬料是近年來隨著快冷技術(shù)發(fā)展而逐漸成熟的釬料種類，常用單輥甩帶法制備。單輥甩帶法是指將熔融狀態(tài)下的合金噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，在脫離平衡凝固的狀態(tài)下急速冷卻得到絲狀或者箔帶狀的釬料。得到的釬料呈非晶態(tài)，具有質(zhì)地均勻、厚度薄、擴(kuò)散效率高、焊后接頭組織性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[17]。

1.3鎳基高溫釬料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域內(nèi)鎳基釬料的應(yīng)用極廣，主要應(yīng)用于鎳基高溫合金的釬焊連接，在鈦鋁系合金、不銹鋼材料以及陶瓷材料等的連接方面也有良好的應(yīng)用前景，常被用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和熱端部件。

1.3.1鎳基釬料在高溫合金釬焊連接方面的應(yīng)用

鎳基高溫合金因其在高溫下高強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕等優(yōu)良性質(zhì)，常用于制造航空航天領(lǐng)域中發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件等[18]。在鎳基高溫合金釬焊方面應(yīng)用的鎳基釬料主要包括Ni-Cr-Si-B系、Ni-Cr-B系、Ni-Cr-Si系和Ni-Cr-W-B系等，其中Ni-Cr-Si-B系的應(yīng)用最為廣泛[5]。

石昆等[19]采用BNi-2釬料對(duì)GH4169與GH738進(jìn)行釬焊，發(fā)現(xiàn)接頭處固溶體組織隨釬焊溫度和保溫時(shí)間的增加而增多，在1110℃時(shí)形成了完全固溶體的接頭，在保溫時(shí)間為45min、釬焊間隙為30μm的條件下接頭組織性能最佳。

許欣星等[20]通過單輥甩帶法將熔煉后的合金錠制造成為寬度為5mm、厚度為50μm的Ni-Cr-Si-B系非晶釬料箔帶，如圖1所示，并將其應(yīng)用到GH4169合金的釬焊中，在1240℃下釬焊20min得到的接頭強(qiáng)度最高，為824MPa。

1.3.2鎳基釬料在鈦鋁系合金釬焊方面的應(yīng)用

鈦鋁系合金以其優(yōu)良的比強(qiáng)度、比剛度、抗疲勞性能和抗氧化性等，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[21]。鈦鋁系合金在與鎳基高溫合金的連接方面具有較大的應(yīng)用前景，但目前的研究仍在初期階段。

何鵬等[22]使用BNi2釬料對(duì)鈦鋁系合金與鎳基高溫合金GH99進(jìn)行了真空釬焊。研究結(jié)果顯示，釬焊接頭的典型界面結(jié)構(gòu)為：GH99/(Ni)ss(γ)+Ni3B+CrB+富Ti-硼化物/TiNi2A1/TiNiAl+Ti3Al/TiAl。隨著溫度升高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)，接頭的強(qiáng)度會(huì)降低。在釬焊溫度為1050℃，保溫時(shí)間為5min時(shí)，接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最高值205MPa，斷裂位置位于TiAl/釬縫界面的TiNiAl反應(yīng)層。

1.3.3鎳基釬料在其他材料連接方面的應(yīng)用

除了高溫合金與鈦鋁系合金外，航空航天領(lǐng)域常用材料還包括陶瓷基材料與不銹鋼等，這些材料經(jīng)常需要與其他合金材料進(jìn)行釬焊連接，從而滿足結(jié)構(gòu)和功能的需求。

王風(fēng)振等[23]采用BNi-7釬料進(jìn)行了Ti（C,N）基金屬陶瓷與17-4PH沉淀硬化不銹鋼的異種材料連接實(shí)驗(yàn)。在1100℃下釬焊60min，釬縫厚度為50μm時(shí)強(qiáng)度最佳，最大值為454MPa。

王猛等[24]采用BNi-2釬料對(duì)鎢與316L奧氏體不銹鋼進(jìn)行連接，并研究了中間層材料對(duì)接頭強(qiáng)度的影響，在焊接溫度為1050℃，保溫時(shí)間為25min的條件下進(jìn)行釬焊，結(jié)果表明，通過添加銅中間層可以將接頭剪切強(qiáng)度由143MPa提高到197MPa，而添加鈮中間層則會(huì)降低接頭剪切強(qiáng)度至120MPa。

張勇等[25]研究了Ni-Cr-B-Si和Ni-Cr-Si系2類鎳基釬料在不同溫度下對(duì)碳纖維增強(qiáng)碳化硅（Cf/SiC）陶瓷基復(fù)合材料潤(rùn)濕性大小的影響。發(fā)現(xiàn)鎳基高溫釬料在Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料上的潤(rùn)濕性良好，其原因主要是釬料與母材發(fā)生了反應(yīng)。通過分析溫度和Cr、B元素的添加比例對(duì)在陶瓷基復(fù)合材料Cf/SiC上鎳基釬料潤(rùn)濕性的影響，發(fā)現(xiàn)溫度和Cr元素添加比例都是影響鎳基釬料在3D-Cf/SiC上潤(rùn)濕效果的重要因素，且當(dāng)Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%時(shí)，B元素就會(huì)對(duì)釬料潤(rùn)濕性產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，導(dǎo)致其潤(rùn)濕性降低。

2、鈷基高溫釬料

2.1鈷基釬料

鈷基釬料是一種發(fā)展較晚的高溫釬焊材料，通常可在1000~1400℃的高溫環(huán)境下工作。鈷基釬料中常添加的元素包括Rh、Cr、W、B、Si等。鈷基合金熔點(diǎn)較高，B、Si的添加可以起到降熔的作用；Rh、 Cr、W可以提高釬料活性，提高釬料的釬焊性能。

鈷基釬料中碳與硫的含量對(duì)釬料性能的影響很大，因此需要對(duì)制備的鈷基釬料中碳與硫的含量進(jìn)行監(jiān)控與檢測(cè)。常用的測(cè)定金屬中碳與硫的方法有重量法[26]、滴定法[27]和紅外吸收法[28]。但重量法與滴定法的操作復(fù)雜、檢測(cè)效率低，不適宜用于鈷基釬料的元素測(cè)定。蒙益林等[29]采用高頻燃燒-紅外吸收法對(duì)Co50NiCrWB?Co45NiCrWB2種鈷基釬料樣品中碳和硫的含量分別進(jìn)行測(cè)定，得到的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別達(dá)到了3.0%~5.1%和4.2%~9.0%，以鋼鐵碳硫標(biāo)樣建立單點(diǎn)校準(zhǔn)曲線，成功建立了測(cè)定鈷基釬料中碳與硫含量的方法。

2.2鈷基高溫釬料成形方法

鈷基合金由于元素間性質(zhì)差異較大，因此材料的脆性較大，不利于塑性加工，因此常制成粉末釬料使用。其中，真空感應(yīng)熔煉氣霧化法因其工藝流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，成為鈷基釬料制粉的最佳選擇[30]。操齊高等[31]采用真空感應(yīng)熔煉結(jié)合氬氣霧化的方法制備了BCo51CrNiSiW合金粉末，通過研究噴嘴結(jié)構(gòu)、霧化壓力和導(dǎo)流管直徑對(duì)細(xì)粉收得率的影響來選擇工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在使用自由落體式噴嘴、霧化壓力為3.5MPa和導(dǎo)流管直徑為4mm的工藝條件下獲得的合金粉末的粒徑合適、球形度與分散性最佳，最佳霧化條件下所得的合金粉末微觀形貌如圖2所示。

2.3鈷基高溫釬料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

Co基釬料在單晶高溫合金的連接方面有著良好的效果。單晶高溫合金具有比普通高溫合金更好的高溫力學(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件中。

張志鵬等[32]使用Co38CrNiWSiB釬料對(duì)第四代鎳基單晶高溫合金的真空釬焊連接進(jìn)行研究，驗(yàn)證了釬料對(duì)母材的良好潤(rùn)濕性，并通過EPMA方法分析接頭處Re元素與Ru元素的擴(kuò)散現(xiàn)象，通過改變不同工藝參數(shù)對(duì)接頭性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)766MPa，達(dá)到了母材的70%。

對(duì)于鈦鋁系合金的釬焊連接，鈷基釬料的應(yīng)用也有著良好的前景。葉雷等[33]利用CoFe基釬料對(duì)TiAl系合金進(jìn)行釬焊，與常用的Ni基釬料相比，能緩解母材的界面反應(yīng)程度，通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)，接頭界面主要形成Ti3Al、TiAl、硅化物和(Ti,Cr)-B，而在寬度較窄的（約10μm）釬縫中心形成了富Cr固溶體。SiC陶瓷具有良好的高溫抗氧化性和耐磨性，從20世紀(jì)開始其就被視為航空航天領(lǐng)域極具發(fā)展前景的材料[34]。部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)鈷基釬料在連接SiC陶瓷材料方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。熊華平等[35]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Co基釬料對(duì)SiC陶瓷具有良好的潤(rùn)濕性，去除元素Ti后的釬料雖然潤(rùn)濕性能提高，但是會(huì)使SiC陶瓷內(nèi)部發(fā)生斷裂或形成裂紋；采用座滴法研究Co基高溫釬料在SiC陶瓷上的潤(rùn)濕行為，在1513K/10min的條件下通過研究添加V和Nb元素對(duì)釬料在SiC陶瓷上的潤(rùn)濕性的影響，發(fā)現(xiàn)通過添加V元素可以結(jié)合SiC中分解出的C來抑制帶狀反應(yīng)層結(jié)構(gòu)與Co2Si相的生成，通過添加Nb元素可以減小潤(rùn)濕角角度，但是與C元素的結(jié)合效果較差。

3、鈦基高溫釬料

3.1鈦基釬料

鈦基釬料具有優(yōu)異的力學(xué)性能與耐腐蝕性能、良好的潤(rùn)濕性和耐腐蝕性能、穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為連接鈦及其合金或特殊高溫合金材料的首選，廣泛應(yīng)用于能源和電子工業(yè)等領(lǐng)域，特別是在需要連接異種材料或特殊結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合。在航空領(lǐng)域主要用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪轂、渦輪盤、高溫散熱器等關(guān)鍵部件的連接。根據(jù)添加的合金元素進(jìn)行分類，鈦基釬料可以分為：Ti-Zr系、Ti-Ni系、Ti-Cu系，為獲得更低的熔點(diǎn)和更好的焊接性能又進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，衍生出Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Cu-Zr系列釬料，并應(yīng)用在鈦合金或高溫合金的釬焊連接上。但添加過多的Cu、Ni等元素，鈦基釬料在釬焊過程中會(huì)形成大量連續(xù)分布的脆性金屬間化合物，降低了接頭力學(xué)性能，因此含Ti元素的釬料在使用上會(huì)受到一定程度的限制。在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)材料科學(xué)和焊接技術(shù)的發(fā)展，展現(xiàn)鈦合金材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，鈦基釬料成分優(yōu)化成為國(guó)內(nèi)外鈦合金釬焊的研究熱點(diǎn)之一[36-37]。

3.2鈦基釬料的成形特點(diǎn)

由于純鈦具有熔點(diǎn)高、易脆化等問題，所以不適宜直接作為釬料進(jìn)行使用。為了便于加工和提高焊接效率，有效降低釬料熔點(diǎn)，通常采用能與Ti形成低熔共晶的Cu、Ni等作為降熔元素，或是加入能與Ti同族互溶的Zr元素來降低熔點(diǎn)。此外，一些有益合金元素的加入也有助于降低釬料熔點(diǎn)或?qū)︹F縫組織進(jìn)行調(diào)控。Yuan等[38]使用摻有純Ti粉或純Zr粉的Ti37.5Zr37.5Cu15Ni10（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）釬料釬焊Ti6Al4V和Ti2AlNb異種鈦合金接頭，研究了Ti或Zr粉對(duì)釬焊接頭微觀組織和接頭性能的影響。發(fā)現(xiàn)TiZrCuNi和TiZrCuNi+Zr粉焊接后的接頭組織形態(tài)類似，釬縫組織為TC4/α+β/IMCs枝晶+共晶(α+β)/連續(xù)帶狀

IMCs+共晶相/α+β/Ti2AlNb。加入Ti粉，可以提高釬料熔點(diǎn)，縮短了液態(tài)釬料的凝固時(shí)間，減少了焊縫寬度，同時(shí)對(duì)Cu/Ni的偏析起到一定的抑制作用，獲得了最高的接頭強(qiáng)度，遠(yuǎn)優(yōu)于TiZrCuNi和TiZrCuNi+Zr接頭。Lu等[39]分別使用Ti-56Ni、Ti-8.5Si、Ti-33Cr和Ti-30V-3Mo釬料，在釬焊溫度為1300~1700℃時(shí)成功釬焊石墨與TZM合金，研究了高溫釬焊中TZM/石墨釬焊接頭的界面行為。使用Ti-56Ni釬料時(shí)，接頭的界面微觀結(jié)構(gòu)由NiTi和Ni3Ti化合物組成，在Ti-56Ni/石墨側(cè)發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)的錫狀TiC化合物；使用Ti-8.5Si、Ti-33Cr和Ti-30V-Mo釬料時(shí)，由于在TZM/釬料一側(cè)形成了Ti-Mo固溶體，在石墨/釬料一側(cè)形成了TiC反應(yīng)層，因此獲得了冶金結(jié)合，對(duì)應(yīng)的TZM/Ti-33Cr/石墨接頭釬焊金屬的顯微組織及掃描形貌如圖3所示，這為TZM合金的高溫應(yīng)用連接提供了重要依據(jù)。

純鈦與大多數(shù)金屬元素結(jié)合會(huì)形成脆性金屬間化合物，導(dǎo)致鈦基釬料脆性大，難以進(jìn)行拉拔、軋制等塑性加工，難以形成常規(guī)的片狀、絲狀等形態(tài)，市面上成熟的商業(yè)鈦基釬料通常以粉末狀、膏狀、疊層釬料的幾何形態(tài)存在，如圖4所示。隨著高性能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)要求的不斷提高，為擴(kuò)大市場(chǎng)，獲得更優(yōu)異的性能，人們利用快速凝固技術(shù)制造出鈦基非晶態(tài)釬料，以非晶箔形式存在，具有低熔點(diǎn)、熔融鋪展性和耐腐蝕性良好等特點(diǎn)，有望在未來取代傳統(tǒng)的晶態(tài)釬料。非晶箔成形工藝復(fù)雜，成形能力受限，目前雖然能夠制成一系列不同成分的非晶釬料，但寬度較窄且加工難度較大，生產(chǎn)成本相對(duì)較高，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)仍存在許多困難。

3.3鈦基高溫釬料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

鈦基釬料在現(xiàn)代航空航天工業(yè)中扮演著重要角色，其發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｒ蚱鋬?yōu)異的高溫性能、良好的潤(rùn)濕性、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及協(xié)同變形特性，在多種飛行器部件，尤其是鈦合金材料的釬焊方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

鈦合金在低溫和超低溫條件下，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、無磁性、耐疲勞等優(yōu)異性能，因此廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的液氫貯存箱、液氫液氧管路系統(tǒng)、燃料噴嘴導(dǎo)管等核心部件中。鈦基釬料主要在一些較新、較大的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中用作強(qiáng)度較高的風(fēng)扇盤焊接，例如Ti-5Al-2.5Sn釬料合金在航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)中主要用于燃油泵葉輪的連接。范朝等[40]提出一種飛機(jī)鈦合金導(dǎo)管釬焊用TiCuZrNi釬料環(huán)粉體。采用熱等靜壓工藝將合金粉體制備成致密的塊體，然后機(jī)械加工成釬料環(huán)。獲得的釬料環(huán)可應(yīng)用于鈦合金滑油導(dǎo)管高頻感應(yīng)釬焊，保證了釬焊界面優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度、較低的冶金缺陷，降低了氣孔率，提高了釬焊接頭性能，使其釬焊后的性能滿足使用要求。

TiAl合金和Ni基高溫合金在航空航天飛行器中可以顯著減輕質(zhì)量，提高工作效率和降低燃油消耗，鈦基釬料被用于連接這2種材料[6]。TiAl合金具有高比剛度、高比強(qiáng)度以及優(yōu)異的抗氧化性能和良好的高溫力學(xué)性能，是一種潛在的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。與Ni基高溫合金相比，TiAl合金的密度僅為其一半，使其取代部分Ni基高溫合金，從而應(yīng)用于航空、航天飛行器的輕量化制造中。

鈦基釬料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在連接不同類型的合金材料、制造高性能復(fù)合材料以及發(fā)動(dòng)機(jī)和其他關(guān)鍵部件的制造中，這些應(yīng)用不僅提高了飛行器的性能，還可以實(shí)現(xiàn)輕量化，對(duì)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

4、錳基高溫釬料

4.1錳基釬料

Mn的熔點(diǎn)較高（1235℃），加入Ni元素可以顯著降低熔點(diǎn)，60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Mn與40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Ni形成的Mn-Ni固溶體熔點(diǎn)可達(dá)1005℃，且延展性優(yōu)良。因此，錳基高溫釬料主要以Mn-Ni合金為基體，加入不同量的Cr、Co、Cu、Fe、B等元素來改善其性能。Cr元素可以提高M(jìn)n基釬料的抗氧化性，釬料具有良好的潤(rùn)濕性和填充間隙的能力，對(duì)母材的熔蝕作用小。添加少量Co元素能改善Mn基釬料的高溫和耐腐蝕性能，釬料流動(dòng)性適中。由錳銅二元合金相圖可知，Mn-Cu固溶體的最低熔點(diǎn)較Mn-Ni固溶體更低，降低熔點(diǎn)的效果更好。Fe元素的添加可以提高M(jìn)n基釬料的強(qiáng)度，從而增強(qiáng)焊接接頭的力學(xué)性能。B的主要作用是改善釬焊工藝性，提高釬料的抗氧化性并抑制氣體向熔融釬料溶解[41-43]。

4.2錳基高溫釬料的成形特點(diǎn)

錳基釬料以其熔點(diǎn)低、釬焊接頭強(qiáng)度高和韌性好、制備工藝簡(jiǎn)單且成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于渦輪機(jī)葉片、熱交換器以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵構(gòu)件的連接[44-45]。然而，錳基釬料高蒸氣壓的特性限制了其在高真空釬焊領(lǐng)域的應(yīng)用，而錳的易氧化性也使得其不適用于火焰釬焊。因此，錳基釬料主要應(yīng)用于氬氣保護(hù)的爐中釬焊、感應(yīng)釬焊以及較低真空釬焊等環(huán)境。

錳基釬料的制備方式多樣，可以通過電弧熔煉爐或感應(yīng)熔煉方法在氬氣保護(hù)氣氛下制備，還可以采用藥芯釬料的制備方式，實(shí)現(xiàn)釬料與釬劑的協(xié)同化、精準(zhǔn)化、自動(dòng)化使用。常用的錳基高溫釬料有BMn70NiCr、 BMn40NiCrFeCo、BMn68NiCo、BMn50NiCuCrCo、BMn65NiCoFeB、BMn45NiCu、BMn52NiCuCr等。

4.3錳基高溫釬料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

錳基高溫釬料在航空航天領(lǐng)域主要應(yīng)用于不銹鋼的釬焊，也可用于一些高溫合金的連接。Chen等[46]采用BMn70NiCr釬料在1175℃/30min下實(shí)現(xiàn)了1Cr21Ni5Ti與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的真空釬焊，接頭典型界面組織由Mn基固溶體組成。釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)釬焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)有很大影響，當(dāng)釬焊溫度低、保溫時(shí)間短時(shí)，由于元素?cái)U(kuò)散不足，釬焊焊縫中存在孔隙和裂紋。在1125℃/15min的參數(shù)下，接頭的最大抗拉強(qiáng)度為566MPa。當(dāng)溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度因1Cr18Ni9Ti中晶粒長(zhǎng)大而降低。隨著釬焊溫度和保溫時(shí)間的增加，Mn或Cr的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散量增加，導(dǎo)致不銹鋼中的擴(kuò)散距離增大。釬焊過程中液相的形成使得Mn和Cr的擴(kuò)散更容易，原子濃度的差異是Mn或Cr擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力。

李寧等[47]采用BMn50NiCuCrCo釬料真空釬焊0Cr13不銹鋼，發(fā)現(xiàn)釬焊接頭組織由Mn-Ni-Cu-Fe-CrCo固溶體組成，Ni、Cu、Fe、Cr、Co等固溶元素造成了固溶體的點(diǎn)陣畸變，使釬縫的滑移變形抗力增加，并且由于溶質(zhì)原子在固溶體中不均勻分布，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生釘扎作用，使室溫下接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到275.0MPa。而在高溫下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受原子擴(kuò)散的影響，接頭高溫拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸降低，在400℃時(shí)降至230.5MPa，500、600℃時(shí)分別為164.4、96.3MPa。

李小強(qiáng)等[48]采用CuMnNiCo箔狀釬料在高純氬氣保護(hù)、1000℃~1050℃保溫20min工藝下實(shí)現(xiàn)了MGH956合金的釬焊連接。釬焊接頭中心區(qū)域由Cu-Mn基固溶體和(Mn,Ni)-Si相、σ′相金屬間化合物組成，界面擴(kuò)散區(qū)域由Fe-Mn基固溶體和σ相化合物組成。提高釬焊溫度至1050℃，界面擴(kuò)散區(qū)域的Fe-Mn基固溶體增多，有利于界面冶金結(jié)合，同時(shí)釬縫中心Cu-Mn基固溶體中(Mn,Ni)-Si相脆性化合物減少，接頭力學(xué)性能得到改善，但釬焊溫度過高達(dá)到1080℃時(shí)，釬料流失導(dǎo)致釬縫產(chǎn)生孔洞缺陷，接頭性能下降。Maksymova等[49]研究了Fe含量對(duì)CuMnCoFe釬料性能的影響，結(jié)果表明Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%會(huì)導(dǎo)致固相線溫度略有升高（從912℃增加到923℃），液相線溫度顯著升高（從931℃提高到1027℃），熔化溫度范圍顯著加寬（104℃）。對(duì)Kovar耐腐蝕鋼釬焊接頭的研究結(jié)果表明，CuMnCoFe合金中添加鐵可以提高接頭的顯微硬度和抗剪強(qiáng)度。

5、貴金屬釬料

貴金屬釬料主要包括金基、銀基和鈀基等種類，在電子、化工、石油、核能、航空和航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[50-52]。其產(chǎn)品形態(tài)為片、絲、帶、棒、箔、膏狀、粉末及預(yù)制成形的框和環(huán)件等[12]。

5.1銀基釬料

銀基釬料熔點(diǎn)適中、工藝性好，并具有良好的強(qiáng)度、韌度導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，是目前應(yīng)用最廣泛的硬釬料。Ni、Mn、Co、Fe等元素常被添加至銀基釬料中以進(jìn)一步改善釬料的性能。通過相圖可以發(fā)現(xiàn)Ni與Cu、Fe等元素之間能夠無限互溶，凝固時(shí)高熔點(diǎn)的銅基固溶體先析出，可提高釬料強(qiáng)度并改善塑性。在Ag-Cu-Sn系釬料中添加Ni元素還能夠抑制釬料中Cu-Sn脆性化合物的產(chǎn)生。此外，加入Ni元素可提高銀釬料的高溫強(qiáng)度及耐腐蝕性能，而Mn元素可改善銀基釬料的潤(rùn)濕性能[12]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在使用Ag-Cu-Zn-Ni-Mn銀釬料釬焊WC-Co硬質(zhì)合金時(shí)，Mn與游離的C可以發(fā)生反應(yīng)生成碳化錳顆粒，碳化錳顆粒溶入釬料合金中，可以增強(qiáng)釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性[53-56]。由于Ni和Co的物理、化學(xué)性質(zhì)較為相近，釬料中Ni元素可提高釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性，還能減小硬質(zhì)合金表面Co在酸洗過程中發(fā)生流失而帶來的不利影響[57]。另外，在釬焊過程中，Ni和Mn向界面遷移并聚集，可以減少接頭的殘余應(yīng)力，提高界面剛度。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜子環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，4~7級(jí)低壓靜子環(huán)材料通常為12Cr13，采用Ag54Cu40Zn5Ni1銀釬料箔帶在氫氣保護(hù)下進(jìn)行釬焊且已經(jīng)成功應(yīng)用于波音707客機(jī)和B-52重型轟炸機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪風(fēng)扇基體材料為TC4鈦合金，常使用釬料Ag68Cu26Ti6和Ag95Al實(shí)現(xiàn)與風(fēng)扇葉片和機(jī)匣的連接。鄭州機(jī)械研究所、北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所和杭州華光焊接新材料股份有限公司主要生產(chǎn)銀基釬料，達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平[12]。

5.2金基釬料

金基高溫釬料熔點(diǎn)在800℃以上，釬焊接頭在高溫工作環(huán)境下仍然具備高性能和高可靠性，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及陶瓷件連接中，常用釬料為Au-Ni系和Au-Cu系。Au與Cu形成連續(xù)固溶體，隨著含銅量的增加，釬料耐蝕性有所降低。

Au-20Cu是Au-Cu系列中應(yīng)用最廣泛的釬料，對(duì)Cu、Fe、Co、Ni、W、Mo、Ta、Nb等金屬及其合金都有良好的潤(rùn)濕性且相互作用小，不會(huì)發(fā)生溶蝕等缺陷，可以釬焊薄件。Au-20Cu多用于焊接波導(dǎo)管、大功率多注速調(diào)管等。Au與Ni形成無限固溶體，適量Ni可以降低合金熔點(diǎn)。Au-Ni系釬料中當(dāng)Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%時(shí)，釬料固液相線溫度幾乎一致，屬于理想的共晶釬料，熔化冷卻后不易發(fā)生成分偏析，其耐蝕性和高溫抗蠕變性能優(yōu)異，焊接接頭強(qiáng)度高，并擁有良好的流布性和潤(rùn)濕性能[58-59]。但加工性能差，成材率低。Ren-Kae等[60]采用填充金屬Au-22Ni-8Pd(BAu-6)對(duì)Ti50Ni50和316LSS進(jìn)行焊接，測(cè)得在 1050℃下釬焊時(shí)間為300s時(shí)抗剪強(qiáng)度可達(dá)204MPa。一般使用Au82Ni18釬料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)9~14級(jí)高壓靜子環(huán)進(jìn)行釬焊。

5.3鈀基釬料

鈀基釬料是指含鈀或以鈀為基的合金，具有延展性好、熔蝕作用小、耐腐蝕性和抗氧化性好等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于各類金屬及合金的釬焊，包括Mo、Ti、W、Zr、Nb等高溫金屬及合金，含Ti、Cr元素的表面易氧化合金，也可用于石墨材料的釬焊，涉及航空航天、冶金、化工、核能等領(lǐng)域[61-63]。鈀元素屬于貴重金屬，一般作為少量元素加入合金中，主要用于改善釬料合金潤(rùn)濕性。如Ag-10Pd用于釬焊F1發(fā)動(dòng)機(jī)中T-347型不銹鋼的爐中釬焊材料[12]。

6、高熵釬料

高熵合金是指由5種或5種以上等量或大約等量的金屬所形成的合金。高熵合金的各元素?cái)?shù)目和比例十分均勻，其特性由各主元共同決定[64-66]。在航空航天異質(zhì)材料連接領(lǐng)域中引入高熵合金作為高溫釬料，不僅能滿足高性能、高可靠釬焊接頭的要求，而且能進(jìn)一步促進(jìn)高熵合金在界面連接領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。

6.1高熵釬料的特點(diǎn)

與高熵合金設(shè)計(jì)理念相同，釬料同樣傾向于選擇合金相圖的中心位置，以獲得比母材熔點(diǎn)更低的熔化溫度范圍，從而實(shí)現(xiàn)釬焊連接[67]。高熵合金具有熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、性能上的雞尾酒效應(yīng)以及特有的濃度起伏帶來的位錯(cuò)相互作用[68]。特殊的核心效應(yīng)給高熵合金帶來超越常規(guī)釬料的高溫性能、高強(qiáng)韌性、優(yōu)異的耐腐蝕性等[69-71]。高熵合金作為釬料表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，然而，由于其中化學(xué)成分分布均勻而復(fù)雜，在界面連接過程中容易出現(xiàn)合金成分不均勻的現(xiàn)象，影響接頭的性能和穩(wěn)定性。因此，在釬焊過程中需嚴(yán)格控制界面連接溫度和工藝參數(shù)，以進(jìn)一步提高釬焊接頭的可靠性。

6.2高熵釬料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

高熵釬料其獨(dú)特的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能對(duì)抑制釬焊過程中基體金屬和填充元素的過度溶解、減少界面有害物質(zhì)的產(chǎn)生、提高接頭的固溶強(qiáng)化能力具有積極作用。高熵釬料在航空航天領(lǐng)域中常用于陶瓷、鈦合金與各類金屬材料的釬焊連接，以獲得具有優(yōu)異綜合性能的高溫部件。

陶瓷材料具有優(yōu)異的理化性質(zhì)和高溫性能，其與各類金屬材料釬焊連接獲得的異質(zhì)接頭，在航空航天領(lǐng)域中常作為熱結(jié)構(gòu)材料。SiCf/SiC復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和耐熱性，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中不可或缺的材料。Zhao等[72]自研了不同Ti含量的CoFeNiCrCuTi高熵釬料，實(shí)現(xiàn)了SiCf/SiC復(fù)合材料與GH536高溫合金的真空釬焊。研究人員系統(tǒng)分析了高熵釬料中Ti元素含量對(duì)接頭組織和力學(xué)性能的影響，證明了Ti元素對(duì)高熵釬料界面反應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。ZrB2-SiC陶瓷是航空航天領(lǐng)域中生產(chǎn)制造高溫?zé)岫瞬考r(shí)的常用材料；Yang等[73]針對(duì)ZrB2-SiC陶瓷與金屬Nb的異質(zhì)接頭，同樣采用CoCrFeNiCuTi高熵釬料，系統(tǒng)研究了Ti含量對(duì)ZrB2-SiC/Nb接頭界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。不同Ti含量的CoCrFeNiCuTi高熵釬料在1160℃下釬焊60min后ZrB2-SiC/Nb接頭界面顯微組織SEM圖像如圖5所示。接頭中Ti含量的增加使FCC相和富Nb片層狀Laves相轉(zhuǎn)變?yōu)榇髩K富TiLaves相和四邊形(Ti,Nb)B相，而齒狀Cr2B相消失。

SiC陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、低密度、抗氧化性好、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，在航空航天、能源核電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Wang等[74]和王秒等[75]為減少釬焊接頭中金屬間化合物的形成，利用CoFeCrNiCu高熵釬料釬焊連接SiC/SiC接頭。研究結(jié)果表明，無論釬焊溫度如何變化，利用高熵釬料的釬焊接頭其抗剪強(qiáng)度均高于普通AgCuTi釬料的釬焊接頭。在1453K/3600s的工藝參數(shù)下，接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)60MPa。

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、蠕變性能優(yōu)異、高溫下抗氧化性能好等特點(diǎn)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱部件的候選材料。TiAl合金具有優(yōu)異的高溫輕量化性能，其高強(qiáng)度和抗蠕變性能使其有望成為下一代高溫結(jié)構(gòu)材料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Zhang等[76]利用CoCuFeNiTi1.2V0.4高熵釬料釬焊TiAl/TiAl合金，系統(tǒng)研究了TiAl接頭的微觀組織和形成機(jī)理，分析了釬焊溫度對(duì)接頭界面組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，原子在界面處的反應(yīng)和擴(kuò)散會(huì)打破高熵效應(yīng)，在濃度梯度和高溫條件下容易形成復(fù)合層。TiAl釬焊接頭在1120℃/20min參數(shù)下的EBSD檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

金屬熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中Ti基合金與Ni基高溫合金之間的連接，是航空航天領(lǐng)域中典型的應(yīng)用實(shí)例。Ren等[77]設(shè)計(jì)制造了NiCoFeCuSiB高熵釬料，用于TiAl/GH536異質(zhì)接頭的釬焊連接。生產(chǎn)的鑄態(tài)NiCoFeCuSiB高熵釬料主要由（Co、Fe、Ni）固溶體和（Ni、Co、Fe、Cu、Si）多元素復(fù)合相組成。Sun等[78]為解決TiAl合金釬焊時(shí)脆性化合物過多的問題，研制了一種TiZrHfCoNiCu高熵釬料，實(shí)現(xiàn)了TiAl/Ti2AlNb接頭的釬焊。研究結(jié)果表明，α2+γ-TiAl是TiAl/釬料界面的主要反應(yīng)產(chǎn)物，α2+Ti0.5Al0.12Nb0.38是Ti2AlNb/釬料界面的主要反應(yīng)產(chǎn)物。

7、結(jié)語與展望

在航空航天領(lǐng)域，高溫釬料的應(yīng)用已成為關(guān)鍵技術(shù)之一，極大地提升了飛行器的可靠性和耐久性。目前常用的鎳基釬料、鈦基釬料、鈷基釬料和錳基釬料其成形技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造和飛行器主體制造而言至關(guān)重要，隨著新型材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，其應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛；貴金屬釬料是制造飛行器硬件設(shè)施必不可少的材料，但降低成本的需求會(huì)逐漸推動(dòng)其向著新型釬料（如節(jié)銀釬料）的方向發(fā)展；高熵釬料的應(yīng)用也會(huì)隨著高熵合金制備技術(shù)的完善而占據(jù)更多市場(chǎng)，可以更好地滿足極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能優(yōu)化，從而保障飛行器的安全性和有效性。

未來高溫釬料的發(fā)展需要朝著更高強(qiáng)度、更高熔點(diǎn)和更好的抗腐蝕性方向邁進(jìn)。此外，新材料和新工藝的不斷涌現(xiàn)，如納米技術(shù)和先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的成熟，也將為高溫釬料的應(yīng)用帶來更多可能性。

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