新型镍基高温合金Haynes230组织性能及热结构研究

采用扫描电镜和拉伸试验分析新型镍基高温合金Haynes230材料的组织和性能，并采用冷轧工艺制备Haynes230箔材。采用点焊、拉伸成型和扩散钎焊工艺制备蜂窝夹层热结构。结果表明，新型镍基高温合金Haynes230具有优异的高温性能，能制备出蜂窝夹层热结构，满足高速飞行器应用需求。

关键词：镍基高温合金；扩散钎焊；蜂窝夹层

Ni-Cr-W系变形高温合金由于其 良好的综合力学性能，被广泛应用于航空航天和能源、化学工业。Ni-Cr-W合金具有优异的综合性能，使其在美国航空、航天及能源工业都得到广泛应用。国内对Haynes230合金研究较少，尤其是用Haynes230箔材制备蜂窝夹层热结构的研究，尚未见相关文献报道。由于Haynes230蜂窝夹层热结构具有良好的应用前景，为此，采用新型镍基高温合金Haynes230进行了蜂窝夹层热结构的研究。

1 试验材料及方法

试验采用新型镍基高温合金Haynes230合金，在室温和高温拉伸试验机上进行性能测试，采用扫描电镜进行组织分析，以确定该种材料是否符合高速飞行器热结构性能要求，以及制备箔材的可行性。

采用冷轧退火工艺，通过辊轧机制备蜂窝芯用Haynes230箔材，并采用钎焊拉伸工艺成形蜂窝芯，并将蜂窝芯钎焊在面板上，从而制备蜂窝夹层热结构。

采用现有方法测试蜂窝夹层热结构的室温拉伸强调、压缩强度和剪切强度。并采用超声反射无损探伤的方法和X射线无损探伤的方法蜂窝夹层热结构的蜂窝芯和面板焊接情况进行了检测。

2 试验结果及分析

2.1 性能测试与组织分析

表1所示为Haynes230合金不同温度下的力学性能。图1-图3所示为不同状态下合金的显微组织。

表1 不同温度Haynes230合金的力学性能

室温力学性能			800℃力学性能			982℃力学性能
Rm/MPa	σ0.2/MPa	A/%	Rm/MPa	σ0.2/MPa	A/%	Rm/MPa	σ0.2/MPa	A/%
861	393	49.6	560	270	50	241	145	83.1

从图1(a)可以看出，合金由大小不均匀的等轴晶组成，平均晶粒尺寸约为40μm，一些晶粒内有孪晶存在。

由图1(b)可知，宏观上组织较为均匀，晶粒大小也比较一致，可以看得比较清楚的是，横截面上的晶粒依然保持等轴晶的形态，而纵截面由于晶粒平行受力方向，晶粒被拉长，现象比较明显。说明此时晶体尚未进行动态再结晶，或者说可能进行了很小量的动态再结晶，甚至可以看到晶粒内的孪晶，可能是由于热变形过程中产生。

由图1(c)可知，982℃拉伸变形后的晶粒仍然比较规整，从纵截面可以看出仍然有被拉长的晶粒。并且晶界附近开始出现较多的细小的等轴晶粒，证明此时开始出现比较明显的动态再结晶。

性能测试与组织分析结果表明，Haynes230合金在982℃高溫时，抗拉强度σb达241MPa，屈服强度σ0.2达145MPa，具有较高的高温性能，组织稳定，符合耐高温热结构性能要求，可以进行箔材成形技术研究。

2.2 蜂窝夹层热结构制备

在20辊轧机上进行冷轧，变形量20%-35%，当总变形量> 65%时，需进行退火处理，然后再冷轧成型。经过多道次冷轧和退火处理后，最终制备出了0.05-0.2mm厚箔材，如图2所示。

 

在剪切机上按蜂窝芯高度将研制的Haynes230合金剪制成蜂窝芯用箔带，按拉伸成型后的蜂窝芯规格，预先在箔带上放置钎料，点焊连接各箔带，然后在钎焊机上进行钎焊连接，最后拉伸制备成型蜂窝芯，如图3所示。在蜂窝夹层热结构面板上铺置钎料，并将研制的Haynes230合金蜂窝芯装夹于两面板之间，在钎焊机上进行扩散连接，从而制备蜂窝夹层热结构，如图4所示。

 

对图4所示Haynes230合金蜂窝夹层热结构样件进行了平面拉伸、平面压缩、剪切性能测试，见表2所示。测试结果显示，Haynes230合金蜂窝夹层板压缩强度、平面拉伸强度、剪切强度分别达到6.86MPa、13.78MPa、9.40MPa，该蜂窝夹层热结构具有较高强度，符合高速飞行器热结构性能要求。

表2 Haynes230合金蜂窝夹层板室温力学性能

试样号	压缩强度σc/MPa	平面拉伸强度/MPa	剪切强度/MPa
1	7.07	12.8	9.50
2	7.89	14.5	9.57
3	5.91	14.1	9.06
4	6.58	13.7	9.46
平均值	6.86	13.78	9.40

2.3 蜂窝夹层热结构检测

采用X射线无损检测技术和超声无损检测技术对Haynes230合金蜂窝夹层热结构蜂窝芯整体焊接情况和面板与蜂窝芯焊接情况进行了检测。

图5为蜂窝夹层热结构蜂窝芯整体焊接情况X射线无损检测照片。可见，蜂窝芯焊接情况良好，整体虚焊≤3%。

 

图6为平面蜂窝夹层板超声无损探伤情况，由图可见，面板与蜂窝钎焊只有个别点有虚焊，但整体虚焊≤3%，焊接情况良好。

 

试验结果表明，可以采用x射线无损检测技术和超声无损检测技术对Haynes230合金蜂窝夹层热结构蜂窝芯整体焊接情况和面板与蜂窝芯焊接情况进行检测，试验制备Haynes230合金蜂窝夹层热结构焊接情况良好，符合耐高温热结构性能要求。

3 结论

(1)新型镍基高温合金Haynes230具有优异的高温性能，能满足航天型号使用需求。

(2)多道次冷轧和真空退火，可以制备出0.05-0.2mm GH3230箔材。

(3)拉伸成型并扩散钎焊工艺可以制备出蜂窝夹层热结构。

(4)Haynes230合金蜂窝夹层热结构蜂窝芯整体焊接情况和面板与蜂窝芯焊接情况良好，符合耐高温热结构性能要求。