CN101941106B - 超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺 - Google Patents

超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，其特征在于，步骤如下：(1)焊前对超级镍叠层材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；(2)在超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢之间填充Ni-Cr-Si-B系膏状镍基高温钎料；(3)将上述装配好的焊件放入真空加热炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1050～1230℃；(4)控制降温速度，真空室温度冷却至100℃以下时将焊件取出。采用本发明的真空钎焊工艺，可得到连接可靠、钎缝成形美观、界面结合稳定的接头，满足航空航天、能源动力、化工设备等领域对高温结构材料的要求。

Description

超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺
技术领域
本发明涉及镍基叠层材料的钎焊工艺，尤其涉及超级镍叠层材料与不锈钢异种材料的高温钎焊工艺，属于材料焊接技术领域。
背景技术
超级镍叠层材料是由超级镍复层和Ni-Cr合金基层通过等静压真空轧制而成的一种新型复合材料，其中叠层材料的超级镍复层厚度为0.3～0.6mm，Ni-Cr合金基层厚度约为2.0mm。这种叠层材料复合了超级镍与Ni-Cr高温合金两种材料各自的优点，可以获得单一材料所不具有的物理和化学性能，是制造高推重比发动机和动力部件的理想材料，具有重量轻、使用寿命长的性能特点。
由于超级镍复层与Ni-Cr基层的热物理性能不同，所以这种材料采用熔焊方法焊接时容易产生焊接裂纹，尤其是与不锈钢焊接时，二者的化学成分及热膨胀系数相差很大，使焊接更加困难。中国发明专利ZL 200810016502.8，公开号为：CN101284329，公开了一种填丝钨极氩弧焊方法，通过严格控制焊接参数实现了超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的熔焊，但对于较薄的超级镍叠层材料板材，采用填丝钨极氩弧焊方法易产生焊接变形，并且接头质量受焊接参数的影响较大，如参数或操作不当易引起超级镍复层的过烧、Ni-Cr基层的未熔合等缺陷。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出了一种超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温真空钎焊工艺，该工艺不需添加钎剂，通过Ni-Cr-Si-B系镍基高温钎料的自熔合特点将超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢连接到一起，能够获得成形良好、无裂纹、无脆性化合物的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊接头，满足异种超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢复合结构1000℃以上高温的使用要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，步骤如下：
(1)焊前对超级镍叠层材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；
(2)在超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢之间填充Ni-Cr-Si-B系膏状镍基高温钎料，控制接头间隙在0.2～0.4mm；
(3)将上述装配好的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢焊件放入真空加热炉中进行真空钎焊，控制升温速度在15～20℃/min，钎焊温度为1050～1230℃，保温时间10～25min，真空度不低于1.33×10-4Pa；
(4)控制降温速度在20～50℃/min，真空室温度冷却至100℃以下时将焊件取出。
所述步骤(1)中，超级镍叠层材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面油污的去除方法是：
小批量生产时，把焊件置于丙酮溶液中超声清洗2～3min，然后用清水冲洗，烘干；
或：大批量生产时，把焊件置于四氯化碳溶液中超声清洗5～8min，然后用清水冲洗，烘干。
所述步骤(1)中，超级镍叠层材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面氧化膜的去除方法是：
小批量生产时，用砂纸打磨表面至出现金属光泽，然后用酒精冲洗、吹干；所用的砂纸表面太粗糙或太光滑都不利于钎料扩散和铺展，推荐选用600～1200号的砂纸；
或：大批量生产时，用化学浸蚀的方法除去不锈钢表面的氧化膜，即：把零件置于H2SO4含量为1.16％、HCl含量为15％、HNO3含量为5％(均为体积百分比)的水溶液中，在100℃条件下浸蚀30s，取出用冷水冲洗后烘干。
上述油污的去除方法和氧化膜的去除方法均为常规技术，不属于本发明的发明点，在此不做过多的描述。
所述步骤(2)中，Ni-Cr-Si-B系膏状镍基高温钎料的化学成分为：Ni 79～85％，Cr6.0～8.0％，Si 4.0～5.0％，B 2.5～3.5％，Fe 2.5～3.5％，P≤0.02％，，Ti≤0.05％，Co≤0.10％，C≤0.06％，以质量百分比计。
所述Ni-Cr-SI-B系膏状镍基高温钎料的固相线温度为970℃，液相线温度为1000℃，钎料的熔化温度间隔小，具有良好的流动性。
所述步骤(3)中，在加热过程中，可以设置几个保温平台使真空室内部和焊件温度均匀，特别是厚度较大的焊件，要适当延长保温平台和钎焊过程的保温时间、降低冷却速度。
本发明提出的采用Ni-Cr-Si-B系镍基钎料进行超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温真空钎焊工艺，真空钎焊时由于超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢整体加热，因此接头的变形程度及未熔合都比熔焊时小的多，并且接头质量受焊接操作的影响较小，这种方法可以严格控制工艺参数，接头成形率可达100％。特别适于连接件复杂、精密的耐高温零部件。采用的Ni-Cr-Si-B系镍基钎料，熔点较高，钎料的固相线与液相线温度间隔较小，具有良好的流动性和填缝能力，适于工作温度较高(1000℃以上)的零部件的连接和应用。实现超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊，能够大大推动超级镍叠层复合材料的应用。
本发明提出的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，可形成界面结合良好的钎焊接头，可用于工作温度较高(1000℃以上)的耐热零部件的应用。也可应用于超级镍叠层材料与其他高温合金、金属间化合物的钎焊连接。
本发明提出的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，采用Ni-Cr-Si-B系镍基高温钎料，无需钎剂实现了超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊，并且连接可靠、钎缝成形美观、界面结合稳定，能够发挥超级镍叠层材料的高温性能优势，满足航空航天、能源动力、化工设备等领域对高温结构材料的要求。
附图说明
图1为实施例1中叠层材料与不锈钢高温钎焊接头示意图。
其中，①：叠层复合材料；②：Cr18-Ni8不锈钢；③：Ni-Cr-Si-B钎料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
厚度为2.6mm的超级镍叠层材料与厚度为2.6mm的Cr18-Ni8不锈钢平板对接钎焊。被连接件长度30mm，宽度为10mm。超级镍叠层材料复层的厚度为0.3mm，Ni-Cr基层的厚度为2.0mm。
具体的高温真空钎焊工艺步骤如下：
(1)焊前将被连接件置于四氯化碳溶液中超声清洗3min，取出用冷水冲洗干净后烘干。用600号砂纸打磨除去超级镍叠层材料和不锈钢待连接件表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。
(2)将被连接件放置在铺有云母箔片的真空室石墨板上，云母箔片的作用是防止钎料与石墨板粘连在一起。把膏状Ni-Cr-Si-B系高温镍基钎料涂于接头间隙，间隙两端加入厚度为0.2mm的不锈钢箔片控制接缝间隙，用刀片除去钎缝周围多余的钎料，被连接件用不锈钢工装板固定和夹紧。所用的Ni-Cr-Si-B系镍基高温钎料的化学成分(质量分数)为：Ni 82％，Cr 7.0％，Si 4.5％，B 3.1％，Fe 3.0％，C≤0.06％。
(3)把固定好的被连接件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1060℃，保温时间为20min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度15℃/min；②保温300℃×5min；③加热至800℃，加热速度15℃/min；④保温800℃×5min；⑤加热至1000℃，加热速度10℃/min；⑥保温1000℃×10min；⑦加热至1060℃，加热速度8℃/min。
(4)真空室温度冷却至80℃时将被连接件取出。
获得的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢钎焊接头成形良好，钎缝无裂纹、无脆性化合物产生，满足被连接件在较高温度下的使用要求，如图1所示。
实施例2：
厚度为3mm的超级镍叠层材料与厚度为3mm的Cr18-Ni8不锈钢直角连接。被连接件长度30mm，宽度为20mm，超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢尺寸相同。超级镍叠层材料复层厚度为0.3m，Ni-Cr合金基层的厚度为2.4mm。
具体的真空高温钎焊工艺步骤如下：
(1)现将叠层复合材料和不锈钢接头处打磨成45°斜角；将被连接件置于四氯化碳溶液中超声清洗5min，取出用冷水冲洗干净后烘干。用600号砂纸打磨除去超级镍叠层材料和不锈钢待钎焊表面的氧化膜，用酒精冲洗后吹干。
(2)将被连接件放置在铺有云母箔片的石墨板上，云母箔片的作用是防止连接件与石墨板粘连。将叠层复合材料与Cr18-Ni8不锈钢角接，把Ni-Cr-Si-B系膏状镍基高温钎料涂于角接缝隙处，接缝间隙0.2mm，缝隙两端加入厚度为0.2mm的不锈钢箔片控制间隙；用刀片除去钎缝周围多余的钎料，被连接件用不锈钢工装板固定和夹紧。所有的Ni-Cr-Si-B系镍基高温钎料的化学成分(质量分数)为：Ni 82％，Cr 7.0％，Si 4.5％，B 3.1％，Fe 3.0％，C≤0.06％。
(3)把被连接件放入真空炉中进行真空钎焊，钎焊温度为1100℃，保温时间为15min，真空度为1.33×10-4Pa。加热过程分为如下几个阶段：①室温加热至300℃，加热速度15℃/min；②保温300℃×5min；③加热至800℃，加热速度15℃/min；④保温800℃×5min；⑤加热至1000℃，加热速度10℃/min；⑥保温1000℃×15min；⑦加热至1100℃，加热速度10℃/min。
(4)真空室温度冷却至80℃以下时将被连接件取出。
获得的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢角接钎焊接头成形良好，钎缝无裂纹、无脆性化合物产生，满足被连接件在较高温度下的使用要求。

Claims (4)

1.一种超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，其特征在于，步骤如下：
(1)焊前对超级镍叠层材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面进行清理，除去表面的油污和氧化膜，并进行干燥处理；
(2)在超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢之间填充Ni-Cr-Si-B系膏状镍基高温钎料，控制接头间隙在0.2～0.4mm；
(3)将上述装配好的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢焊件放入真空加热炉中进行真空钎焊，控制升温速度在15～20℃/min，钎焊温度为1050～1230℃，保温时间10～25min，真空度不低于1.33×10-4Pa；
(4)控制降温速度在20～50℃/min，真空室温度冷却至100℃以下时将焊件取出。
2.根据权利要求1所述的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，其特征在于：
所述步骤(1)中，超级镍叠层材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面油污的去除方法是：把焊件置于丙酮溶液中超声清洗2～3min，然后用清水冲洗，烘干；或：把焊件置于四氯化碳溶液中超声清洗5～8min，然后用清水冲洗，烘干。
3.根据权利要求1所述的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，其特征在于：
所述步骤(1)中，超级镍叠层材料和Cr18-Ni8不锈钢待焊表面氧化膜的去除方法是：用砂纸打磨表面至出现金属光泽，然后用酒精冲洗、吹干；或：把零件置于H2SO4含量为1.16％、HCl含量为15％、HNO3含量为5％的水溶液中，在100℃条件下浸蚀30s，取出用冷水冲洗后烘干。
4.根据权利要求1所述的超级镍叠层材料与Cr18-Ni8不锈钢的高温钎焊工艺，其特征在于：
所述步骤(2)中，Ni-Cr-Si-B系膏状镍基高温钎料的化学成分为：Ni 79～85％，Cr 6.0～8.0％，Si 4.0～5.0％，B 2.5～3.5％，Fe 2.5～3.5％，P≤0.02％，，Ti≤0.05％，Co≤0.10％，C≤0.06％，以质量百分比计。
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