CN102218618B - 一种高铝钛型镍基高温合金的堆焊设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆焊设备及其方法，包括保护气罩、焊枪、熔焊电源，其中保护气罩的圆周外围设置感应线圈，通过感应对保护气罩内的工件进行加热；焊枪与熔焊电源相连，对工件实施等离子体熔焊堆焊；保护气罩的下端与气罩保护气相连，以使保护气在保护气罩中由下向上流动，为工件提供惰性气氛保护。利用本发明技术方案，整个焊缝区都没有发现裂纹，可有效实现高铝钛镍基高温合金(铝+钛含量总和大于6％)的表面无损伤焊接。

Description

一种高铝钛型镍基高温合金的堆焊设备及其方法

技术领域

本发明涉及焊接工艺领域，更具体地说，涉及高铝钛型镍基高温合金的堆焊工艺。

背景技术

现代高性能航空发动机和燃气轮机热端部件制造主要采用高铝、钛(铝+钛含量总和大于6％)镍基高温合金。由于这些热端部件设计制造时选用了优良的合金、特殊复杂的冷却结构及很好的防护涂层，造价昂贵。另一方面，这些部件工作在高温、高压、腐蚀性燃气环境中，又是易损件，常常产生各种早期损伤，如磨损、裂纹和烧蚀等。对于易损坏的燃气轮机叶片来说，一旦发生损伤就意味着失去使用价值，需要更换，由于这些易损坏的叶片价格极为昂贵，更换的成本是天文数字。

因此很长时间以来，人们就注意到修复技术所带来的巨大经济效益，但由于受到技术发展水平的局限，修复技术的发展较慢。近30年来，随着航空事业和燃气发电事业的迅速发展，叶片与热端部件的修复技术已有了长足的进步。以焊接技术为主导的相关工艺方法围绕着解决叶片与热端部件的修复问题形成了一个燃气轮机发动机修复技术的系统工程。

铝、钛是燃气轮机叶片材料——镍基高温合金的主要沉淀强化元素，随着铝、钛含量的增加，镍基高温合金γ′-Ni₃(铝，钛)相体积百分数增加，高温强度增加，但是热裂纹敏感性也随之增加，对于高铝钛的镍基高温合金来说，采用熔焊工艺修复所要面临的主要问题就是该材料的裂纹敏感性很高，采用普通的焊接工艺，裂纹发生概率为95％以上，如何实现高铝、钛镍基高温合金材料的表面无损伤熔焊处理一直是高铝、钛镍基高温合金叶片与热端部件制造与再制造面临的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种堆焊设备及其方法，实现高铝钛镍基高温合金(铝+钛含量总和大于6％)的表面无损伤焊接。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种高铝钛型镍基高温合金的堆焊设备，包括保护气罩、焊枪、熔焊电源，其中：

所述保护气罩的圆周外围设置感应线圈，通过感应对保护气罩内的工件进行加热；

所述焊枪与熔焊电源相连，对工件实施等离子体熔焊堆焊；

所述保护气罩的下端与气罩保护气相连，以使保护气在保护气罩中由下向上流动，为工件提供惰性气氛保护。

所述感应加热的温度为使工件的温度达到700-1100℃。

所述堆焊设备中，还包括红外测温装置，用于检测工件的温度。

一种利用上述设备进行堆焊的方法，按照下述步骤进行：

(1)将工件固定在保护气罩内的夹具上；

(2)打开气罩保护气，使保护气体在保护气罩中由下向上流动，为工件提供惰性气氛保护；

(3)打开感应加热器对工件进行加热，待工件温度到达预定温度后，停止加热，调整感应加热器为保温档；

(4)打开等离子焊机，实施堆焊。

其中步骤(3)中可采用红外线温度计检测工件的加热温度。

所述保护气体的流量为15-30L/min，优选20-25L/min。

所述对工件的感应加热温度为700-1100℃，优选800-1000℃。

对于高铝钛(铝+钛含量总和大于6％)的镍基铸造基高温合金来说，采用熔焊工艺修复所要面临的主要问题就是该材料的裂纹敏感性很高，究其原因一方面是因为此类高温合金的强化机制很多，材料强度极大，塑性与韧性较差造成的。另一方面由于熔焊过程中不合理的热输入造成了较大的温度梯度，温度梯度产生很大的热应力，这种热应力以拉应力的形式存在，造成了熔焊过程中高铝钛含量的镍基高温合金表面开裂。

本发明的技术方案采用堆焊技术实现对高铝、钛镍基高温合金材料的表面无损伤熔焊，着重考虑以下因素：

(1)高温预热

铝+钛含量总和大于6％的镍基高温合金工件由于其材料强度大，韧性差，导热性能低。在熔焊过程中熔池温度与基体温度梯度很大，产生了很大的热应力，热应力是造成高铝钛镍基高温合金表面裂纹的主要因素，为降低温度梯度避免较大的热应力发生，需要在很高的温度下焊接，必须进行焊前高温预热处理。本技术方案选择的预热温度区间在700-1100℃，优选800-1000℃。同时为使操作更加便捷，本发明采用感应加热的方法直接对工件进行预热。

(2)惰性气体保护

本发明采用的预热温度区间较高，工件处于这种温度时，暴露在空气中会使工件表面产生大量的氧化层，这种氧化层对于堆焊层的结合强度具有重大影响，为避免高温氧化，需要进行惰性气体保护，本发明采用高纯度惰性气体(例如氩气、氦气)作为保护气，将工件置于一个气体保护罩内，通过调节惰性气体流量和工件的位置使其处于惰性气体保护内，避免氧化层的影响。需要指出的是，由于采用感应加热的方式，保护气罩宜采用玻璃，避免产生感应热。

(3)熔焊方法

为避免感应加热的电磁场对焊接电弧的影响，本发明选择焊接电弧挺度较好的等离子电弧进行熔焊，并根据情况选用高温合金用焊丝和调整焊接参数：非转移弧电流为1-10A、非转移弧气流为1-5L/min、转移弧电流为10-20A、转移弧气流为10-25L/min。

本发明的技术方案可以实现高铝钛镍基高温合金的表面无损伤堆焊，如附图2(b)(c)所示，黑色的部分是母材，白色部分为焊缝区，整个焊缝区都没有发现裂纹，因此可以实现大部分航空发动机燃气轮机叶片的熔焊修复与材料的可循环利用。

附图说明

图1是高铝钛镍基高温合金预热保护焊接系统的示意图。

图2是本发明进行堆焊后的熔焊金相照片：(a)不使用本发明系统的K403堆焊焊缝；(b)使用本发明系统的K403堆焊焊缝；(c)使用本发明系统的K403堆焊焊缝。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

选用镍基铸造基高温合金K403进行表面无损伤堆焊，其中K403的化学成分如下表所示：

选用Deloro Stellite Group公司生产的

6型合金焊丝，化学成分如下：

选用深圳市双平电源技术有限公司SPG-10-I型感应加热电源对工件进行加热，选用的熔焊电源为奥地利Fronius公司生产的TransTig 800+PlasmaModule 10等离子焊接电源进行熔焊，具体焊接参数如下：

由附图2所示的金相照片(b)和(c)可以看出，黑色的部分是母材，白色部分为焊缝区，利用本发明的技术方案可有效避免高铝钛型镍基高温合金熔焊裂纹的发生，熔焊层在150um以下，明显好于(a)的效果。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种对高铝钛型镍基高温合金进行堆焊的方法，利用包括保护气罩、焊枪、熔焊电源在内的堆焊设备，其特征在于，

所述高铝钛型镍基高温合金中，铝和钛含量总和大于6%；

所述保护气罩的圆周外围设置感应线圈，通过感应对保护气罩内的工件进行加热；

所述焊枪与熔焊电源相连，对工件实施等离子体熔焊堆焊；

所述保护气罩的下端与气罩保护气相连，以使保护气在保护气罩中由下向上流动，为工件提供惰性气氛保护；

在进行堆焊时按照下述步骤进行：

（1）将工件固定在保护气罩内的夹具上；

（2）打开气罩保护气，使保护气体在保护气罩中由下向上流动，为工件提供惰性气氛保护；

（3）打开感应加热器对工件进行加热，待工件温度到达预定温度后，停止加热，调整感应加热器为保温档；

（4）打开等离子焊机，实施堆焊；

所述保护气体的流量为15－30L/min；步骤（3）中对工件的感应加热温度为700—1100℃。

2.根据权利要求1所述的一种对高铝钛型镍基高温合金进行堆焊的方法，其特征在于，步骤（3）中使用红外线温度计检测工件的加热温度。

3.根据权利要求1所述的一种对高铝钛型镍基高温合金进行堆焊的方法，其特征在于，所述保护气体的流量为20－25L/min。

4.根据权利要求1所述的一种对高铝钛型镍基高温合金进行堆焊的方法，其特征在于，步骤（3）中对工件的感应加热温度为800-1000℃。

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