CN105108257A - 一种过渡液相辅助固相连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过渡液相辅助固相连接方法，其方法为：在待连接界面放置一过渡液相扩散焊用中间层材料，利用中间材料中的降熔元素的扩散，在待焊表面形成瞬间液相，施加锻压力，将待焊材料表面的液化相挤出接头区域，对待焊材料接合界面氧化膜及加工硬化层进行清洗，达到固相扩散焊界面所需要求，挤出液相后，保持一定的压力，进一步扩散，形成固相连接接头。本发明的技术效果：通过挤出接头区域的液相，能够有效去除待焊材料表面的氧化膜层和加工硬化层，避免固相连接前待焊表面的高要求清洗过程，同时通过去除接头表面不均匀层，缩短固相连接的扩散时间，提高焊接效率。

Description

一种过渡液相辅助固相连接方法

技术领域

本发明涉及一种过渡液相辅助固相连接技术，属于瞬间液相连接与扩散焊的混合技术；适用于单晶材料的高效连接，尤其适用于航空发动机涡轮叶片等高温结构材料的连接。

背景技术

金属间化合物、复合材料、非晶态材料及单晶材料等新材料，采用传统的熔焊方法很难实现可靠连接。国内外主要采用钎焊、瞬间液相扩散焊（TLP）、固相扩散焊等方法。

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。相比熔焊方法，钎焊具有母材不熔化，钎料熔化冷却凝固连接母材的优点，然而这也导致钎焊接头的强度及使用温度较低，而且接头组织易形成脆性相等缺点。

瞬间液相扩散焊是用一种特殊成分、熔化温度较低的薄中间层作为过渡合金，放置在连接面之间。施加较小的压力或不施加压力，在真空条件下加热到中间层合金熔化，液态的中间层合金润湿母材，在连接界面间形成均匀的液态薄膜。经过一定的保温时间，中间层合金与母材之间发生扩散，合金元素趋向与平衡，形成牢固的连接。瞬间液相扩散焊由于其能获得接近母材性能的接头，广泛应用于航空、航天、核工业中。然而，瞬间液相扩散焊中间液相需要经常长时间的等温凝固才能获得组织均匀的接头，部分残留的降熔元素（B、Si）使接头的使用温度降低，这极大的限制了其应用。

固相扩散焊不需添加降熔元素，可获得使用温度较高的接头，并且可焊接其他熔焊难以焊接的材料等优点广泛受到关注。常规的固相扩散焊，是在一定的温度和压力下，经过一定的时间，焊件接触界面原子间相互扩散而实现的可靠连接。固相扩散焊解决了许多用熔焊方法难以连接的材料的可靠连接。但由于其连接过程中材料处于固相，其对连接界面表面平整度、粗糙度较苛刻，以及表面氧化膜层及加工硬化层的存在也影响着接头的性能。因此，要获得性能良好的固相接头，必须去除表面氧化膜层及加工硬化层，为母材的连接创造固相扩散焊的条件。

结合渡液相扩散焊及固相扩散焊的特点，将过渡液相扩散焊的液相形成过程与固相扩散焊复合，获得固相连接接头，同时，克服一般钎焊、过渡液相扩散焊和固相扩散焊的诸多缺点，能实现高温合金材料快速固相连接，避免固相焊接头表面清理的复杂工序，降低残留降熔元素对接头高温性能的不利影响，特别适用于航空发动机涡轮叶片的制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡液相辅助固相连接方法，该方法可用于单晶等高温合金的固相焊接。

本发明是这样来实现的，一种过渡液相辅助固相连接方法，其特征是方法步骤为：待焊材料表面打磨处理，并尽量保证待焊材料的晶体取向一致，在待焊材料之间加入含降熔元素的中间层，在真空扩散焊炉中，加热至中间层熔点与待焊材料熔点之间，通过降熔元素与待焊材料之间的互扩散，使得待连接件表面层局部液化，随即施加一定的顶锻力，将液相挤出，去除表面物理及化学不均匀层，并在顶锻力的作用下，使两待焊件达到原子间距离，继续短时保温扩散，快速形成固相连接。

本发明中待焊材料表面打磨处理是采用240-1000#砂纸打磨，保证一定的平整度及粗糙度。

本发明中的保证待焊材料的晶体取向一致，即保证待焊材料取向与连接面相垂直，并且两待焊界面之间保持匹配关系，使得待焊材料晶体取向一致。

待焊件装配，尽量保证待焊材料取向与连接面相垂直，并且两待焊界面之间保持匹配关系，为了保证待焊材料晶体取向的一致性。

本发明中的含降熔元素的中间层，一般采用厚度在10~100μm之间的非晶态箔片材料，降熔元素为含有能和待焊材料元素反应并形成低熔点化合物的元素（B，Si，Hf，Zr），采用非晶箔片材料的目的是为了降低焊接温度，减少焊接高温对待焊材料本身性能的影响。

本发明中的所述的施加顶锻力的时刻为待焊材料表面液化达到最大时，此时，中间液相成分达到均匀化，且等温凝固尚未发生，能有效去除待焊表面不均匀层。此时，中间液相成分达到均匀化，且等温凝固尚未发生，能有效去除待焊表面不均匀层。

本发明中的所述的顶锻力，其大小在1MPa~50MPa之间，其施加方向保证垂直于接触面。

本发明的优点是：（1）简化固相焊接过程的表面清理过程。该方法利用过渡液相的形成过程，将接头表面不均匀层液化，并在锻压力的作用下将液化层的挤出接头区，达到接头表面“清洗”的目的；（2）焊接温度低，避免高温对待焊材料性能的影响。该方法可通过调整中间层降熔元素的含量，改变焊接温度；（3）焊接过程时间短，提高焊接效率，节省能源。该方法省去了过渡液相扩散焊的等温凝固及均匀化热处理过程，大幅缩短焊接时间；（4）提高接头高温性能及可靠性。锻压过程将富含降熔元素的液化相挤出接头区，降低了降熔元素在接头区的残留量，使得接头的使用温度提高；（5）减少气孔及缩松等缺陷；（6）节约母材金属、生产率高、成本低、无污染。过渡液相辅助固相焊接无需特殊的表面清理，可节约大量母材金属；（7）中间层成本低，焊接过程中无弧光、磁场和射线。

附图说明

图1为本发明的过渡液相辅助固相扩散焊工作原理示意图一。

图2为本发明的过渡液相辅助固相扩散焊工作原理示意图二。

图3为本发明的过渡液相辅助固相扩散焊工作原理示意图三。

图4为本发明的过渡液相辅助固相扩散焊工作原理示意图四。

图5为本发明的加热曲线图。

在图中，图1为三明治式装配图，图2为形成液相，液相区最大化示意图；图3为挤出液相图，图4为高温扩散及固溶处理图；1、上压头 2、上待焊材料， 3、中间层，4、下支撑盘， 5、下待焊材料，6、液化相 7、挤出的液相。

具体实施方式

本发明是这样来工作和实施的，如图1-4所示，一种过渡液相辅助固相连接方法，将待焊材料1、待焊材料5的连接表面简单打磨处理，在待焊材料1和5中间加入含降熔元素的中间层3，装配成三明治结构，放置到真空扩散焊炉的下支撑盘4上。加热至中间层熔点与待焊材料熔点之间，通过降熔元素与待焊材料之间的互扩散，使得待连接件表面层局部液化，形成液化相6，随即通过上压头2对待焊件1和5施加一定的锻压力，挤出液相7，以去除表面物理及化学不均匀层，并在锻压力的作用下，使两待连接件达到原子间距离，继续短时保温扩散，快速形成固相连接。

本发明所述的待焊材料1和待焊材料5表面打磨处理是采用240-1000#砂纸打磨，保证一定的平整度及粗糙度。为了保证待焊材料晶体取向的一致性，待焊材料1和待焊材料5装配时，尽量保证待焊材料取向与连接面相垂直，并且两待焊界面之间保持匹配关系。为了降低焊接高温对待焊材料性能的不利影响，本发明采用非晶态箔片材料作为中间层3，非晶箔状钎料含有能和待焊材料元素反应并形成低熔点化合物的元素（B，Si，Hf，Zr），厚度在10~100μm之间。为了有效去除待焊表面不均匀层，尽量在待焊材料液化达到最大时施加锻压力，此时，中间液相6成分达到均匀化，且等温凝固尚未发生。顶锻力施加方向保证垂直于接触面，顶锻力大小在1MPa~50MPa之间。

采用本发明技术，对一代镍基单晶高温合金DD407进行过渡液相辅助固相连接。所用的中间钎料为厚度20μm的非晶箔状BNi9。首先将棒状单晶经线切割截取尺寸为8mm×Ø14mm的试样作为上、下待焊材料。依次采用240#，500#，1000#的水砂纸对上、下待焊材料进行打磨，去除表面的割痕，采用1000#的水砂纸对中间钎料进行打磨，简单去除表面的氧化膜。将打磨过的上、下待焊材料及中间钎料进行丙酮溶液超声波清洗15min，以去除表面油污。采用三明治式装配，将非晶箔状钎料放置在待焊待焊材料中间，上、下待焊材料在同一轴线上，保证晶体取向一致。将装配后三明治式待焊件放置在真空扩散焊炉的上、下压头中间，待焊。

焊接的工艺参数如下：真空度5×10^-4Pa，升温速度为10℃/min，在600℃保温20min，以去除接头表面的有机物杂质，然后，同样以10℃/min的升温速度加热到1080℃，保温10分钟，非晶中间层材料熔化，最大程度地液化待焊材料表面。随即施加1MPa的顶锻压力，挤出液相，并在1MPa的压力及1000℃下，扩散3h。最后，随炉冷却，并在800℃左右进行固溶处理，完成焊接。

DD407单晶的过渡液相辅助固相连接接头，其焊缝中心组织与待焊材料组织一致，焊缝成型良好，且焊接时间相对较短。

Claims (6)

1.一种过渡液相辅助固相连接方法，其特征是方法步骤为：待焊材料表面打磨处理，并尽量保证待焊材料的晶体取向一致，在待焊材料之间加入含降熔元素的中间层，在真空扩散焊炉中，加热至中间层熔点与待焊材料熔点之间，通过降熔元素与待焊材料之间的互扩散，使得待连接件表面层局部液化，随即施加一定的顶锻力，将液相挤出，去除表面物理及化学不均匀层，并在顶锻力的作用下，使两待焊件达到原子间距离，继续短时保温扩散，快速形成固相连接。

2.根据权利要求1所述的一种过渡液相辅助固相连接方法，其特征是：所述待焊材料表面打磨处理是采用240-1000#砂纸打磨，保证一定的平整度及粗糙度。

3.根据权利要求1所述的一种过渡液相辅助固相连接方法，其特征是：所述的保证待焊材料的晶体取向一致，即保证待焊材料取向与连接面相垂直，并且两待焊界面之间保持匹配关系，使得待焊材料晶体取向一致。

4.根据权利要求1所述的一种过渡液相辅助固相连接方法，其特征是：所述的含降熔元素的中间层，一般采用厚度在10~100μm之间的非晶态箔片材料，降熔元素为含有能和待焊材料元素反应并形成低熔点化合物的元素（B，Si，Hf，Zr），采用非晶箔片材料的目的是为了降低焊接温度，减少焊接高温对待焊材料本身性能的影响。

5.根据权利要求1所述的一种过渡液相辅助固相连接，方法其特征是：所述的施加顶锻力的时刻为待焊材料表面液化达到最大时，此时，中间液相成分达到均匀化，且等温凝固尚未发生，能有效去除待焊表面不均匀层。

6.根据权利要求1所述的一种过渡液相辅助固相连接方法，其特征是：所述的顶锻力，其大小在1MPa~50MPa之间，其施加方向保证垂直于接触面。