CN108356407A - 一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法。该方法包括目标零件的模具的设计制备及装配，扩散连接前处理、扩散连接过程控制和后期处理等步骤。本发明提出的一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法是在真空高温高压条件下发生扩散时通过法兰和凹凸模实现多层通道位置定位和限位，成形镍基高温合金的多通道结构用这种方法能够完成成形特征，保证连接强度且提升零件的成形效率，减少后期通道及轮廓的处理，缩短加工周期。

Description

一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法

技术领域

本发明属于高温合金制造领域，特别是涉及镍基高温合金复杂结构的制造及特殊结构连接成形的方面。

背景技术

扩散连接属于固相焊技术，固态扩散连接即在真空(或者惰性气体)高温环境中，对待连接表面施加一定时间的压力作用，通过塑性变形和原子扩散实现冶金结合的连接技术。这项技术针对高温合金的高温强度高、变形困难等连接难点，实现零件的有效连接并最大限度保持零件母材的高温性能等，其产品应用领域不断扩大，特别是在航空航天特殊高温耐热部件的制造领域已取得运用。

在成形导向叶片、涡轮盘、燃烧室等多种结构功能综合性较强的高温零件时，传统的制造技术水平有限，不但成形强度较低且材料浪费严重，复杂结构甚至无直接制造；3D打印可降低零件成形难度，但对技术水平、粉末材料制备和精密设备要求较高，在镍基高温合金的制造领域应用还较少；熔焊和摩擦焊等连接方法可以连接镍基高温合金，但接头性能变化影响零件的高温工作性能。扩散连接可针对特殊多通道结构及材料的高温性能特点，采用定位法兰、垫块和凹凸模具的定位及限位配合的方法，克服连接难点，成形相应连接结构并保持材料的高温性能，并实现后期少加工的目的。

发明内容

本发明提供的镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法，包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据镍基高温合金多层通道结构的特征制备出单层板零件，层板零件添加定位法兰以实现多层通道的定位要求。

2)制备连接模具，根据零件形状和连接条件设计加工出合理的模具，该模具包括定位销、高度可调垫块、包含定位销孔和承压定高凸台的凸模、定位垫块并限制层板连接体高温形变位移量的凹模。

3)为了防止在装配、连接、运输等移动过程中模具及零件发生移位，凹腔、凸台及垫块的上下面采用铣床进行加工，表面进行抛磨处理使平整光滑；凹凸模具加工出矩形配合面，同时限制垫块在凹模内的位移。为便于装配及节省材料，垫块外形随零件设计，模具外形随炉设计。

4)垫块放平并装上定位销，按顺序装配两种待连接薄板零件，若存在加工误差导致销孔与销过盈装配困难，采用人工打磨的方式实现定位销及销孔的紧密配合；将垫块及层板装配体平整放在凹模内，结合凸台和凹腔的矩形面装配凸模，利用凹凸模具对连接体的约束作用，有效地防止待连接零件在搬运及连接过程中发生移动和错位。

5)将上述装有连接零件的整套模具放置在扩散炉腔恒温区，利用抽真空设备对炉腔包括模具和连接零件进行抽真空处理。

6)保持真空度条件，快速加热加压，并保温保压一段时间，使多层零件接触面在真空高温高压条件下发生塑性变形和相互扩散，从而实现层板零件的有效连接。

7)降温降压后，整体取出模具，打开凸模，取出包含定位销的连接体，利用常规的机加工方法除去法兰结构，加工出目标结构外形，由此得到符合要求的多通道整体结构。

8)所述步骤2中凹凸模及垫块的材料为高温模具钢材料，定位销的材料为耐高温石墨材料；凹腔、凸台及垫块的上下面采用铣床进行加工，表面进行抛磨处理，使表面平整光滑。

9)所述步骤4通过人工打磨的方式用定位销把层板零件装配在垫块上，保持层板结构的上下承压面平整，将层板和垫块整体装入凹凸模具中。

10)所述步骤5中由于凸模内有石墨定位销，在装配及入炉的过程中尽量避免侧移；加热炉的炉腔及模具内部的真空度须达到10^-3Pa以上。

11)所述步骤6中扩散连接工艺曲线条件：保持真空度达到10^-3Pa以上，0.5小时内使真空扩散设备的温度升温到1050℃，同时在0.1小时内使炉内承压扩散零件的表面压强达到30MPa，保温保压1小时；降压后随炉冷却，降温到室温时长为8～12小时。

12)本发明提供的镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法是在真空高温高压条件下，接触面发生塑性变形和原子扩散以实现有效连接，结合法兰和凹凸模定位和限位作用，成形镍基高温合金的多通道结构用这种方法能够完成成形特征，保证连接强度且提升零件的成形效率，减少后期通道及轮廓的处理，缩短加工周期。

附图说明

图1为采用本发明提供的一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法成形零件时所成形的零件结构示意图，外轮廓示意图1-1和内部通道结构截面示意图1-2、1-3。

图2为采用本发明提供的一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法成形零件时的带连接零件结构示意图，零件1和2的结构示意图2-1和截面示意图2-2。

图3为采用本发明提供的一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法成形零件时设计的各种模具结构示意图。

图4为采用本发明提供的一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法成形零件时全部结构装配结构示意图。

图5为采用本发明提供的一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法成形零件时去除模具后半成品连接体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明提供的镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法进行详细说明。

如图1—图5所示，本发明提供的镍基高温合金方法包括

按顺序进行的下列步骤：

1)根据镍基高温合金多通道结构8如图1的特征制备出如图2所示的单层板零件1和零件2，层板零件添加定位法兰以实现多层通道的位置要求。

2)根据零件形状和连接条件设计加工出合理的模具如图3所示：该模具包括定位销3、高度可调垫块4、包含定位销孔和承压定高凸台的凸模5、定位垫块并限制层板连接体高温形变位移量的凹模6；凹凸模和垫块的材料为高温模具钢材料，定位销的材料为耐高温石墨材料。为便于装配及节省材料，垫块外形随零件设计，模具外形随炉设计为了防止在装配、连接、运输等移动过程中模具及零件发生移位，凹腔、凸台及垫块的上下面采用铣床进行加工，表面进行抛磨处理使平整光滑；凹凸模具加工出矩形配合面，同时限制垫块在凹模内的位移。

3)装配位置如图4所示：将垫块4放平并装上定位销3，按顺序装配待连接薄板零件1和2，用人工打磨以实现定位销与销孔的紧密配合，把层板零件装配在垫块上，保持层板结构的上下承压面平整，将层板和垫块整体装入凹凸模具中。

4)将上述装有连接零件的整套模具放置在扩散炉腔恒温区，凸模内有石墨定位销，在装配及入炉的过程中尽量避免侧移；利用抽真空设备对炉腔包括模具和连接零件进行抽真空处理，真空度达到10^-3Pa。

5)保持真空度达到10^-3Pa以上，0.5小时内使真空扩散设备的温度升温到1050℃，同时在0.1小时内使炉内承压待连接表面的压强达到30MPa，保温保压1小时；降压后随炉冷却，降温到室温时长为8～12小时。

6)整降温降压后，整体取出模具，打开凸模，取出半成品连接体7，利用常规的机加工方法除去法兰结构，加工出目标结构外形，由此得到符合要求的多通道整体结构8。

7)根据所形成的镍基高温合金零件和特征的不同，相应的模具的形状也不同，扩散连接的工艺参数曲线将根据镍基高温合金材料种类和零件结构进行相应的调整。

Claims (5)

1.一种镍基高温合金多层通道结构扩散连接成形方法，其特征在于：所述的多层镍基高温合金单层板零件通过扩散连接形成整体多通道结构，包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据镍基高温合金多层通道结构(8)的特征制备出单层板零件，即零件(1)和零件(2)，加上定位法兰以实现多层通道的定位要求。

2)制备连接模具，根据零件形状和连接条件设计加工出合理的模具，该模具包括定位销(3)、高度可调垫块(4)、可承压且包含定位销孔的凸模(5)，定位垫块且限制层板连接体高温形变位移量的凹模(6)；

3)为了防止在装配、连接、运输等移动过程中模具及零件发生移位，凹凸模具加工出矩形配合面，同时限制内部垫块(4)在凹模(6)的位移；为便于装配及节省材料，模具外形随炉设计。

4)垫块(4)单面朝上放平，装上定位销(3)，按顺序装配待连接零件(1)和零件(2)，若存在加工误差导致销孔与销过盈装配困难，采用人工打磨的方式实现定位销及销孔的紧密配合；将垫块及层板装配体平整放在凹模(6)内，结合凸台和凹腔的矩形面装配凸模，利用凹凸模具对连接体的约束作用，有效地防止待连接零件在搬运及连接过程中发生移动和错位。

5)将上述装有连接零件的整套模具放置在扩散炉腔恒温区，利用抽真空设备对炉腔包括模具和连接零件进行抽真空处理。

6)保持真空度条件，快速加热加压，并保温保压一段时间，使多层零件接触面在真空高温高压条件下发生塑性变形和相互扩散，从而实现层板零件的有效连接。

7)降温降压后，整体取出模具，打开凸模，取出半成品连接体(7)，利用常规的机加方法除去法兰结构，加工出目标结构外形，由此得到符合要求的多通道整体结构(8)。

2.权利要求1所述的凹凸模及垫块的材料为高温模具钢材料，定位销的材料为耐高温石墨材料；凹腔、凸台及垫块的上下面采用铣床进行加工，表面进行抛磨处理，使表面平整光滑。

3.权利要求1所述的通过人工打磨的方式用定位销把层板零件装配在垫块上，保持层板结构的上下承压面平整，将层板和垫块整体装入凹凸模具中。

4.权利要求1所述的由于凸模内有石墨定位销，在装配及入炉的过程中尽量避免侧移；加热炉的炉腔及模具内部的真空度须达到10^-3Pa以上。

5.权利要求1所述的扩散连接工艺曲线条件：保持真空度达到10^-3Pa以上，0.5小时内使真空扩散设备的温度升温到1050℃，同时在0.1小时内使炉内承压扩散零件的表面压强达到30MPa，保温保压1小时；降压后随炉冷却，降温到室温时长为8～12小时。