CN105665918A - 一种提高gh4099焊接接头强度的扩散焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法，首先将镍铬合金箔材和GH4099焊接接头待焊表面打磨、清洗，冷风吹干备用，将处理后的镍铬合金箔材放置于两个GH4099焊接接头之间，构成被焊工件；然后将被焊工件放置于扩散焊炉上压头与下压头之间，上压头、下压头与被焊工件之间分别设置阻焊层，然后施加预压力，关闭炉门；最后对扩散焊炉进行抽真空，并采用超声振动，施加轴向焊接压力，保温，然后卸去压力和振动，随炉冷却，完成焊接。本发明既可以大大降低扩散连接所需的时间，提高生产效率，减小过长时间对母材性能退化的影响；又有利于母材与中间层元素的相互扩散，焊后两者组织成分相似。

Description

一种提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法
技术领域
本发明涉及一种提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法。
背景技术
GH4099合金是Ni-Cr基沉淀强化型高温合金，合金元素的加入使材料具有较高的热强性，最高使用温度可达1000℃。在航空发动机燃烧室和加力燃烧室等高温结构件的制造中具有广泛的应用。由于异质元素扩散的局限性，实现GH4099的高强扩散连接已成为衡量结构件质量的关键指标。
文献《连接温度对GH4169合金TLP接头界面组织和性能的影响》公开了一种GH4169高温合金的瞬间液相扩散焊方法。采用50μm厚的Ni82CrSiB非晶箔片作为中间层，焊接温度范围为1060-1160℃，保温时间为2h。当焊接温度为1120℃时，接头室温和高温(600℃)抗拉强度最高，分别为692和599MPa，为母材强度的82％和71％，接头断裂位置均在中间层处，没有达到高强连接的效果。
文献《GH4169合金真空扩散连接接头的组织和性能》公开了两种高温合金GH4169的扩散焊接方法。第一种方法是GH4169的直接扩散连接，焊接温度范围为950-1150℃，保温时间范围为60-120min，焊接压力范围为20-40MPa，室温下最高抗拉强度为658MPa，接头拉伸断面为典型解理面的脆性断口。第二种方法是将20μm厚铜箔作为中间层实现GH4169的扩散焊。当连接温度达到1020℃，焊接时间为90min，焊接压力为20MPa时，接头强度达到745MPa。此种方法的接头强度有所提升，但力学性能仍低于母材试样，没有实现高温合金的等强连接。
因而现有研究基础上，GH4099的焊接接头性能并不能满足实际工程应用的需求，接头性能相比母材劣化明显。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法，可以在实现GH4099焊接接头高强连接的同时，又保证了高温使用性能。
本发明的技术方案：所提供的提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法，包括以下步骤：
步骤1将镍铬合金箔材和GH4099焊接接头待焊表面打磨、清洗，冷风吹干备用；
步骤2将步骤1处理后的镍铬合金箔材放置于两个GH4099焊接接头之间，构成被焊工件；
步骤3将被焊工件放置于扩散焊炉上压头与下压头之间，上压头、下压头与被焊工件之间分别设置阻焊层，然后施加预压力(固定被焊工件)，关闭炉门；
步骤4对扩散焊炉进行抽真空，当焊接真空度不低于10-2Pa时开始加热，并采用超声振动，当焊接温度升至1000-1040℃，施加27-32MPa的轴向焊接压力，保温1-1.5h，然后卸去压力和振动，随炉冷却，完成焊接。
上述步骤1中镍铬合金箔材厚度为1-5μm。
上述步骤1中镍铬合金箔材的Cr成分范围为21-25wt.％。
上述步骤4中超声振动的振动频率为20-50kHz、振幅为10-30μm。
本发明的优点：
1、本发明的扩散焊中间层选用GH4099的主要基体元素Ni、Cr构成镍铬合金箔材(Cr成分范围为21-25wt.％)，中间层的设计不引入GH4099中Al、Ti等活性金属组元，防止含有活性金属组元的中间层在扩散焊过程中生成表面氧化层以及高温强化相阻碍原子扩散。
2、本发明的扩散焊中间层厚度仅为1-5μm，既可以大大降低扩散连接所需的时间，提高生产效率，减小过长时间对母材性能退化的影响；又有利于母材与中间层元素的相互扩散，焊后两者组织成分相似。
3、本发明在GH4099扩散焊过程中引入超声振动，可以有效地对焊接过程中金属氧化膜进行破碎，加快焊接界面的原子扩散。
4、本发明获得的GH4099扩散焊接头无微观缺陷，焊合率高，轴向变形率小，焊后强度达到了母材的100％。
5、本发明获得的GH4099扩散焊接头高温强度和一定载荷下的抗蠕变性能与母材相当。
附图说明
图1是本发明被焊工件的结构示意图。
附图标记如下：
1-阻焊层；2-镍铬合金箔材；3-上压头；4-GH4099焊接接头；5-下压头。
具体实施方式
实施例1：
GH4099焊接接头的真空扩散焊，步骤如下：
如图1所示的待焊工件为φ38mm×35.5mm的棒状GH4099。
选取4μm厚镍铬合金箔材(Cr25wt.％和Ni75wt.％)作为中间层，用砂纸打磨镍铬合金箔材2和GH4099待焊工件表面，使其表面粗糙度小于1μm，经酒精溶液超声清洗5min后，冷风吹干备用。
将上述材料进行装卡，将镍铬合金箔材2放入GH4099焊接接头4基体之间，构件被焊工件，将被焊工件放置于扩散焊炉上压头3与下压头5之间，上压头3、下压头4与被焊工件之间分别设置阻焊层1，并施加0.5MPa的预压力，关闭炉门；
对真空扩散焊炉进行抽真空，当焊接真空度达到3.5×10-2Pa时开始加热，加热速率为10℃/min，并施加振动频率30kHz、振幅为20μm的超声振动，升温至1020℃，施加30MPa的轴向压力，保温1.2h，保温结束后卸去压力和振动，随炉冷却工件。
焊后接头的测试结果为：
a)轴向变形率小，仅为2.19％；
b)光学显微镜测试结果表明，焊接接头无微观缺陷，焊合率高；
c)化学成分分析测试结果表明，接头成分均匀，中间层与母材成分无明显差异；
d)力学性能测试结果表明，拉伸试样断于母材，接头室温抗拉强度为1055MPa，高于焊后母材强度，延伸率为16.74％，；
e)高温性能测试结果表明，测试温度为900℃时，抗拉强度为427MPa，蠕变寿命为51h，保证了GH4099的高温使用性能。
实施例2：
区别于实施例1，其镍铬合金箔材中间层厚度由4μm减小至1μm，焊接压力由30Mpa减少至27Mpa，经对焊后接头测试结果表明，拉伸试样断于母材，接头室温抗拉强度为1046MPa。
实施例3：
区别于实施例1，在焊接过程中，超声振动振幅由20μm变为10μm，经对焊后接头测试结果表明，拉伸试样断于母材，接头室温抗拉强度为1052MPa。
实施例4：
区别于实施例1，其镍铬合金箔材中间层厚度由4μm增加至10μm，经对焊后接头测试结果表明，拉伸试样断于焊接接头，接头室温抗拉强度为821MPa。分析其原因在于，中间层厚度过厚，导致中间层在焊接过程中未与母材完成发生反应，残留在焊接接头中，导致焊接接头的力学性能下降。
实施例5：
区别于实施例1，其镍铬合金箔材中间层成分由Ni75Cr25改为Ni20Cr80，经对焊后接头测试结果表明，拉伸试样断于焊接接头，接头室温抗拉强度为967MPa。分析其原因在于，中间层Cr含量远高于母材，超出母材基体的溶解度，形成不利于焊接的复杂组织，导致焊接接头的力学性能下降。
实施例6：
区别于实施例1，在焊接过程中，未施加超声振动，经对焊后接头测试结果表明，拉伸试样断于焊接接头，接头室温抗拉强度为925MPa。分析其原因在于，在焊接过程中产生金属氧化膜，阻碍了原子扩散，导致焊接接头的力学性能下降。
通过对比上述六组实施例可知，本发明中所述的提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法具有不可替代性优势，即采用1-5μm厚的镍铬合金箔材(Cr成分范围为21-25wt.％)作为中间层，扩散焊过程中引入超声振动(频率为20-50kHz、振幅为10-30μm)，在合理的焊接工艺规范带下(焊接温度1000-1040℃、轴向焊接压力27-32MPa、保温时间1-1.5h)，即可获得高强的GH4099扩散焊接头。
表六组实施例焊接方案对比

Claims (4)

1.一种提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1将镍铬合金箔材和GH4099焊接接头待焊表面打磨、清洗，冷风吹干备用；
步骤2将步骤1处理后的镍铬合金箔材放置于两个GH4099焊接接头之间，构成被焊工件；
步骤3将被焊工件放置于扩散焊炉上压头与下压头之间，上压头、下压头与被焊工件之间分别设置阻焊层，然后施加预压力，关闭炉门；
步骤4对扩散焊炉进行抽真空，当焊接真空度不低于10-2Pa时开始加热，并采用超声振动，当焊接温度升至1000-1040℃，施加27-32MPa的轴向焊接压力，保温1-1.5h，然后卸去压力和振动，随炉冷却，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法，其特征在于：所述步骤1中镍铬合金箔材厚度为1-5μm。
3.根据权利要求1或2所述的提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法，其特征在于：所述步骤1中镍铬合金箔材的Cr成分范围为21-25wt.％。
4.根据权利要求3所述的提高GH4099焊接接头强度的扩散焊方法，其特征在于：所述步骤4中超声振动的振动频率为20-50kHz、振幅为10-30μm。
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