CN102922230A - 一种真空钎焊马氏体不锈钢整流器组件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空钎焊马氏体不锈钢整流器组件的方法，其特征在于：通过在叶片间填装箔状钎料以保证整流器组件钎焊间隙。采用添加H1Cr11Ni2W2MoV焊丝的定位方法，并采用对称交叉焊接，焊点直径为Φ3，使零件的焊接应力较小，在后续的钎焊后，零件变形减小，氩弧焊点无开裂现象。在真空钎焊后增加了回火工序，提高了零件的力学性能。同时，本发明使用石墨制作的钎焊夹具，并在钎焊夹具表面喷涂一层Al2O3，能够避免钎焊后钎焊夹具和零件粘连，且钎焊夹具在1055℃钎焊时不变形。在试验验证中，本发明的产品合格率为100%，并且钎焊后的钎缝外观质量较好，钎缝外观连续、圆滑。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机的制造领域，具体是一种真空钎焊马氏体不锈钢整流器组件的方法。
背景技术
国内外航空发动机的很多重要部件，如导向叶片、工作叶片、压气机叶片、燃烧室部件、蜂窝封严结构、燃油总管及其它管路等构件的制造都涉及到真空钎焊技术，我国在多个机种航空发动机整流器组件的制造中采用热铆、气体保护钎焊和真空钎焊工艺。由于整流器由82个叶片和内环组成，钎缝164处，若零件有1处钎缝不符合标准要求，整个零件即视为不合格，所以真空钎焊间隙要非常一致，零件表面也要相当洁净；此组件对单件叶片和整环的装配要求极高，钎焊温度为1055℃，且钎焊和淬火同时进行，钎焊后零件变形大，真空钎焊后零件因变形太大或无补焊次数而报废。
现国内外的涉及真空钎焊技术的专利为蜂窝类零件的钎焊、金刚石复合片的真空钎焊和真空钎焊用钎料，涉及航空发动机整流器组件真空钎焊的技术论文为航空发动机整流器组件的热铆工艺及保护气体钎焊工艺，蜂窝类零件的钎焊和金刚石复合片的真空钎焊工艺过程与本专利流程类似，但不涉及石墨钎焊夹具和钎焊与淬火的一体化工艺，目前没有相关专利和技术论文涉及马氏体不锈钢材料的航空发动机整流器组件的真空钎焊。
发明内容
为克服现有技术中存在的钎焊后零件变形大，或无补焊次数而报废的不足，本发明提出了一种真空钎焊马氏体不锈钢整流器组件的方法。
本发明包括以下步骤：
步骤1，装配待焊零件：采用常规方法将叶片逐一固定到所述整流器组件的内环中，调整叶片间的钎焊间隙至均匀，并在待钎焊处预填装δ=0.05mm的箔状HBNi82CrSiB钎料。
步骤2，氩弧焊定位：采用添加H1Cr11Ni2W2MoV焊丝的对称交叉定位方法。焊点直径为Φ3。
步骤3，真空钎焊：所述真空钎焊的过程包括：
a．将膏状HBNi82CrSiB钎料均匀地涂覆在经过打磨和清洗的待钎焊处，涂覆的宽度为0.6mm～0.8mm；在钎焊夹具与零件接触的位置涂抹红色阻流剂。
所述钎焊夹具用石墨制成，并在该钎焊夹具的表面喷涂了一层厚度为0.1mm的Al2O3涂层；
b．将安放有零件的钎焊夹具装入真空炉中。以350℃/h的升温速率将真空炉的炉温升至350℃，保温20～30分钟，以挥发钎料中的粘接剂。以650℃/h的升温速率将真空炉的炉炉温升至950℃，保温20～30分钟，用来将零件透热。以450℃/h的升温速率将炉温升至1055℃，保温10～20分钟，实施对零件的钎焊。将真空炉的真空室在真空状态下冷却至950℃，回填高纯氩气，氩气压力不得小于90KPa。启动冷却风扇将零件冷却到80℃以下出炉。
c．对零件钎缝质量进行检查。对符合验收标准的零件进入下一步，进行回火；对不符合验收标准的零件，在不合格处补涂钎料后，重复本步骤中的b过程，进行补焊。补焊时钎焊温度为1035～1045℃。补焊合格后的零件进入下一步，进行回火。对不符合验收标准的零件进行补焊的次数为2次。
步骤4，回火：将安放有零件的钎焊夹具装入真空炉中。以600℃/h的升温速率将炉温升至580℃，保温60～70分钟。回填高纯氩气，氩气压力不得小于90KPa。对零件风冷却到80℃以下出炉。
标准5，机加：去除零件余量，加工至最终尺寸，得到钎焊后的马氏体不锈钢整流器组件。
本发明创造的目的是提供成套马氏体不锈钢1Cr11Ni2W2MoV真空钎焊工艺、焊后热处理工艺及整流器组件或与其结构类似零件的真空钎焊工艺，提高同类零件的一次钎焊合格率和钎焊质量，同时通过保证零件真空钎焊后变形较小。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案具有以下特点：
保证整流器组件钎焊间隙
装配叶片与内环之前用干净的酒精清洗零件，随后将零件晾干，将叶片固定到内环中，调整叶片间的钎焊间隙至均匀，并在待钎焊处预塞δ=0.05mm的箔状HBNi82CrSiB钎料。当叶片间的钎焊间隙大于0.1mm时，在局部塞两层箔状钎料。在随后的真空钎焊时，箔状HBNi82CrSiB钎料熔化并充当部分钎料填满钎焊间隙，形成钎缝。整流器组件的零件图见图1。
真空钎焊时的钎焊间隙对钎缝质量的影响较大，HBNi82CrSiB钎焊1Cr11Ni2W2MoV时，钎缝组织（图3）由以下组成：
（1）靠近母材的镍固溶体；
（2）钎缝中灰色的圆形硼化镍相；
（3）深色的斑纹状硅化镍（NiSi3）、灰色的斑纹状硼化镍（NiB3）
（4）玫瑰花状的硼化铬（CrB）相；
硅化镍、硼化镍、硼化铬相的脆性较大，尤其是硼化物脆性最大，钎缝受力时容易开裂。故钎焊间隙的选定对钎缝强度的影响最为重要，HBNi82CrSiB真空钎焊间隙一般要求为0.03mm-0.08mm，但整流器组件氩弧焊定位后钎焊间隙满足不了真空钎焊间隙一般要求。
通过楔形填隙试样的金相照片可以判断钎缝中镍固溶体、硅化物、硼化物的含量和分布，并结合镍固溶体、硅化物、硼化物的性能分析钎缝的强度。图4为HBNi82CrSiB钎焊1Cr11Ni2W2MoV时的楔形填隙试样的金相照片。当钎焊间隙小于0.045mm时，钎缝中只有镍固溶体，钎缝的强度较高；当钎焊间隙为0.08mm时，钎缝中出现深色的硅化镍（NiSi3）相、灰色的硼化镍（NiB3）相，但有较少白色硼化铬（CrB）相；当钎焊间隙为0.12mm时，钎缝中出现深色的硅化镍（NiSi3）相、灰色的硼化镍（NiB3）相和较多的白色硼化铬（CrB）相；随着钎焊间隙的继续增大，钎缝中的脆性相越来越多。故马氏体不锈钢1Cr11Ni2W2MoV采用HBNi82CrSiB钎料在1055℃真空钎焊时的最佳钎焊间隙为0.01mm-0.045mm；但考虑到钎焊间隙大于0.045mm时，仍能形成完整的钎缝，马氏体不锈钢1Cr11Ni2W2MoV采用HBNi82CrSiB钎料钎焊时的钎焊间隙暂定为0.01mm-0.15mm。
通过试板剪切试验验证钎焊间隙对强度的影响，共准备3组剪切试板，每组4个，钎焊间隙理论值分别为0.10mm、0.15mm和0.20mm，由于通过箔状钎料保证钎焊间隙，钎焊间隙实际值比理论值要大约0.01mm。剪切强度的试验结果如表1所示，剪切强度的结果表明，钎焊间隙在0.10mm-0.20mm时的强度保持在185Mpa左右。但考虑到真空钎焊间隙较大时，钎缝的脆性相较多，真空钎焊间隙较小时，容易出现未焊透等缺陷，故将整流器组件的真空钎焊间隙定为0.02mm-0.15mm。
表1 剪切试板的剪切强度
整流器组件氩弧焊定位方法
为减小氩弧焊定位对钎焊表面的氧化，现有技术中的氩弧焊定位时不添加焊丝，焊点强度较低，真空钎焊时的温度较高，叶片之间产生应力导致氩弧焊定位焊点开裂，造成叶片之间出现相互错动，最终零件产生变形。变形后零件出现未钎着和机加的基准变化，导致零件报废。
本发明采用添加H1Cr11Ni2W2MoV焊丝的定位方法，并采用对称交叉焊接，焊点直径约为Φ3，氩弧焊定位的具体位置见图2，采用此方法定位后零件的焊接应力较小，在后续的钎焊后，零件变形减小，氩弧焊点无开裂现象。
本发明在确定真空钎焊和回火参数时，考虑了真空钎焊对马氏体不锈钢1Cr11Ni2W2MoV的机械性能的影响。
1Cr11Ni2W2MoV的热处理制度为1000℃-1020℃油冷或空冷+540℃-580℃回火，热处理后的硬度值为HB=311-388。为匹配母材的热处理制度，1Cr11Ni2W2MoV的真空钎焊温度不宜超过1020℃太多，故选用钎焊温度比较低的HBNi82CrSiB钎料。HBNi82CrSiB钎料的熔化温度（970℃-1000℃）较低，钎料的熔化区间较小，具有良好的流动性。但钎焊温度较低时，钎料的铺展性不好，钎缝会出现缺陷，故选用HBNi82CrSiB钎料最常用的钎焊温度1055℃。钎焊温度超过了母材的淬火温度，可能对母材的机械性能产生影响。通过性能试棒分析真空钎焊对母材1Cr11Ni2W2MoV机械性能的影响，机加尺寸为Ф25mm×160mm的1Cr11Ni2W2MoV试棒2根，对试棒按照整流器组件的加工参数进行三次1055℃真空钎焊和一次580℃回火，按GJB5040-2001的要求进行机械性能试验。其中一根试棒用于δb、δ0.2、δ5、Ψ的检测，另外一个试棒用于Aku2的检测。机械性能的检测结果如表2所示。
表2 1Cr11Ni2W2MoV钎焊+回火后的力学性能
真空钎焊与淬火有一定的矛盾，但对于1Cr11Ni2W2MoV，钎焊温度虽然超过了母材淬火温度，各项力学性能仍符合GJB5040-2001Ⅱ类锻件的要求，钎焊后零件在580℃进行回火处理，布氏硬度满足HB=311-388的要求，这就实现了钎焊和淬火的同时进行。
本发明在上述基础上提出了控制整流器组件变形的方法，确定整流器组件真空钎焊的温度为1055℃。由于钎焊温度较高，零件易变形；整流器组件钎焊时，钎缝与钎焊夹具接触，若钎焊夹具为金属材料，钎焊后造成钎焊夹具和零件粘连。为避免此问题，钎焊整流器组件时采用石墨钎焊夹具，并在钎焊夹具表面喷涂一层Al2O3，能够避免钎焊后钎焊夹具和零件粘连，且石墨钎焊夹具在1055℃钎焊时不变形，钎焊夹具寿命较长。整流器组件为薄壁件，且采用氩弧焊定位，钎焊后有变形，为避免钎焊后变形较大，造成后续的机加无基准，故将钎焊夹具设计成图5所示的结构。
采用此钎焊夹具进行真空钎焊，零件在自由支撑状态下进行钎焊和回火，依靠重力作用，零件的机加基准面和石墨钎焊夹具的台阶面紧密贴合，而零件在径向可以自由变形，避免了因零件椭圆造成平面度异常变化，钎焊和回火后整流器组件内环端面的平面度小于0.15mm，椭圆度小于0.25mm，不会影响后续机加。
为验证本发明的效果，发明人对16件整流器组件实施了真空钎焊试验。其中9件整流器组件经过一次钎焊合格，7件整流器组件经过两次钎焊合格。16件整流器组件基准面内环端面的平面度变化小于0.15mm。如图6所示，钎焊后的钎缝外观质量较好，钎缝外观连续、圆滑。产品钎焊的合格率为100%。
附图说明
图1是零件真空钎焊图；
图2是整流器组件的氩弧焊定位示意图；
图3是300倍的钎缝金相照片；
图4是不同钎焊间隙的钎缝组织，其中，图4a是间隙为0.045mm的钎缝组织照片，图4b是间隙为0.08mm的钎缝组织照片，图4c是间隙为0.12mm的钎缝组织照片，图4d是间隙为0.18mm的钎缝组织照片，图4e是间隙为0.26mm的钎缝组织照片，图4f是间隙为0.32mm的钎缝组织照片；
图5a是真空钎焊零件的效果图，其中，图5b是图5a的局部放大图；
图6是本发明的流程图。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种钎焊整流器组件的方法。所述的整流器组件的材质为马氏体不锈钢。该整流器组件由82个叶片和内环组成整环，真空钎焊的钎缝较多。
本实施例的具体过程是：
步骤1，装配待焊零件：采用常规方法装配待焊零件，具体过程是，将叶片与内环用酒精清洗干净并晾干。将叶片逐一固定到内环中，调整叶片间的钎焊间隙至均匀，并在待钎焊处预填装δ=0.05mm的箔状HBNi82CrSiB钎料。当叶片间的钎焊间隙大于0.1mm时，在局部预填装两层箔状钎料，
步骤2，氩弧焊定位：采用添加H1Cr11Ni2W2MoV焊丝的对称交叉定位方法。该方法是氩弧焊焊接的常用方法。焊点直径为Φ3。
步骤3，真空钎焊：所述真空钎焊的过程包括：
a．用钢丝轮打磨待钎焊处，直至露出新鲜的金属光泽，用酒精或丙酮清洗零件并将零件晾干，用注射器将膏状HBNi82CrSiB钎料均匀地涂覆在经过打磨和清洗的待钎焊处，涂覆的宽度为0.6mm～0.8mm。在钎焊夹具与零件接触位置涂抹红色阻流剂，涂抹时，该红色阻流剂只涂注在钎焊夹具表面。本实施例中使用CSS156红色阻流剂。
所述钎焊夹具用石墨制成，并在该钎焊夹具的表面喷涂了一层厚度为0.1mm的Al2O3涂层，以便能够避免钎焊后夹具和零件之间粘连。该钎焊夹具的结构与现有技术中不锈钢夹具的结构相同。
b．使零件的机加基准面和石墨钎焊夹具的台阶面紧密贴合。将零件放在钎焊夹具上，然后将零件和钎焊夹具一同装入真空炉中。以350℃/h的升温速率将真空炉的炉温升至350℃，保温20～30分钟，以挥发钎料中的粘接剂。以650℃/h的升温速率将真空炉的炉炉温升至950℃，保温20～30分钟，用来将零件透热。以450℃/h的升温速率将炉温升至1055℃，保温10～20分钟，实施对零件的钎焊。将真空炉的真空室在真空状态下冷却至950℃，回填高纯氩气，氩气压力不得小于90KPa。启动冷却风扇将零件冷却到80℃以下出炉。本实施例中，以350℃/h的升温速率将真空炉的炉温升至350℃后保温25分钟；以650℃/h的升温速率将真空炉的炉炉温升至950℃后保温25分钟，以450℃/h的升温速率将炉温升至1055℃后保温15分钟。
c．按照航标或国标中关于真空钎焊钎缝质量相关验收标准，对零件钎缝质量进行检查。对不符合验收标准要求的零件，在不合格处补涂钎料后，重复本步骤中的b过程，重新进行真空钎焊，即补焊。补焊时钎焊温度比第一次钎焊时低10～20℃，为1035～045℃，允许补焊两次。按真空钎焊钎缝质量相关验收标准对零件钎缝质量进行检查合格后进行回火。本实施例中，补焊时钎焊温度比第一次钎焊时低15℃，为1040℃，
4.回火：使零件的机加基准面和石墨钎焊夹具的台阶面紧密贴合。将零件放在钎焊夹具上，然后将零件和钎焊夹具装入真空炉中，以600℃/h的升温速率将炉温升至580℃，保温60～70分钟。回填高纯氩气，氩气压力不得小于90KPa。启动冷却风扇将零件冷却到80℃以下出炉。回火后零件硬度为HB=311-388。本实施例中，以600℃/h的升温速率将炉温升至580℃后保温65分钟。
5.机加：去除零件余量，加工至最终尺寸，得到钎焊后的马氏体不锈钢整流器组件。
本实施例中，通过预填装δ=0.05mm的箔状HBNi82CrSiB钎料，保证了整流器组件的钎焊间隙，使钎焊间隙较为理想，形成比较完整的钎缝。采用添加H1Cr11Ni2W2MoV焊丝的定位方法，并采用对称交叉焊接，氩弧焊焊点的强度较高，且对称交叉焊接后焊接应力较小，避免了真空钎焊过程中氩弧焊焊点开裂和零件变形。钎焊整流器组件时采用石墨钎焊夹具，并在钎焊夹具表面喷涂一层Al2O3，能够避免钎焊后钎焊夹具和零件粘连，采用此钎焊夹具零件在自由支撑状态下进行钎焊和回火，依靠重力作用，零件的机加基准面和石墨钎焊夹具的台阶面紧密贴合，而零件在径向可以自由变形，避免了因零件椭圆造成平面度异常变化，钎焊和回火后整流器组件内环端面的平面度小于0.15mm。采用注射器将适量膏状HBNi82CrSiB钎料均匀地涂在待钎焊部位接缝上，钎料宽度约为0.6mm-0.8mm，钎料量比较均匀，真空钎焊后钎缝的外观质量较好。
Claims (3)
1.一种真空钎焊马氏体不锈钢整流器组件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，装配待焊零件：采用常规方法将叶片逐一固定到所述整流器组件的内环中，调整叶片间的钎焊间隙至均匀，并在待钎焊处预填装δ=0.05mm的箔状HBNi82CrSiB钎料；
步骤2，氩弧焊定位：采用添加H1Cr11Ni2W2MoV焊丝的对称交叉定位方法；焊点直径为Φ3；
步骤3，真空钎焊：所述真空钎焊的过程包括：
a．将膏状HBNi82CrSiB钎料均匀地涂覆在经过打磨和清洗的待钎焊处，涂覆的宽度为0.6mm～0.8mm；在钎焊夹具与零件接触的位置涂抹红色阻流剂；
所述钎焊夹具用石墨制成，并在该钎焊夹具的表面喷涂了一层厚度为0.1mm的Al2O3涂层；
b．将安放有零件的钎焊夹具装入真空炉中；以350℃/h的升温速率将真空炉的炉温升至350℃，保温20～30分钟，以挥发钎料中的粘接剂；以650℃/h的升温速率将真空炉的炉炉温升至950℃，保温20～30分钟，用来将零件透热；以450℃/h的升温速率将炉温升至1055℃，保温10～20分钟，实施对零件的钎焊；将真空炉的真空室在真空状态下冷却至950℃，回填高纯氩气，氩气压力不得小于90KPa；启动冷却风扇将零件冷却到80℃以下出炉；
c．对零件钎缝质量进行检查；对符合验收标准的零件进入下一步，进行回火；对不符合验收标准的零件，在不合格处补涂钎料后，重复本步骤中的b过程，进行补焊；补焊时钎焊温度比第一次钎焊时低10～20℃，为1035～1045℃；补焊合格后的零件进入下一步，进行回火；
步骤4，回火：将安放有零件的钎焊夹具装入真空炉中；以600℃/h的升温速率将炉温升至580℃，保温60～70分钟；回填高纯氩气，氩气压力不得小于90KPa；对零件风冷却到80℃以下出炉；
步骤5，机加：去除零件余量，加工至最终尺寸，得到钎焊后的马氏体不锈钢整流器组件。
2.如权利要求1所述一种真空钎焊马氏体不锈钢整流器组件的方法，其特征在于，用注射器在零件的待钎焊处涂覆膏状HBNi82CrSiB钎料。
3.如权利要求1所述一种真空钎焊马氏体不锈钢整流器组件的方法，其特征在于，；对不符合验收标准的零件进行补焊的次数为2次。
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