CN108788438A - 一种tlp扩散焊用中间层合金及其焊接方法 - Google Patents

一种tlp扩散焊用中间层合金及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TLP扩散焊用中间层合金及其焊接方法，涉及焊接技术领域。该中间层合金包括x％镍基片状中间层与(100‑x)％镍基合金粉。镍基片状中间合金在IC10母材成分元素的基础，添加了降熔元素B、Hf，在一定的成分范围内配比而成，低于母材的固溶温度1270℃。同时，具有良好的润湿性与扩散性，焊前初始间隙为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm。并且，可实现IC10高温合金的大间隙瞬时液相扩散焊，有效的解决目前IC10高温合金所面临的大间隙TLP扩散焊强度不够的问题，焊后常温抗拉强度可以达到母材的85％以上。

Description

一种TLP扩散焊用中间层合金及其焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，且特别涉及一种TLP扩散焊用中间层合金及其焊接方法。
背景技术
TLP连接是将中间层(粉末状或固相)放在待焊材料表面之间，中间层加热达到熔点或者中间层和母材相互扩散形成共晶反应产物而形成一种低熔点的液相合金填充焊缝间隙，通过降熔元素和溶质原子向母材中扩散，从而发生等温凝固；延长保温时间使组织和成分进一步均匀化，形成可靠的连接。因此，中间层的合金成分和形态对母材焊接接头性能都有着决定性的作用。中间层合金成分的设计、优化及其制备工艺是当前研究的重要领域。
Ni3Al金属间化合物由于具有高的熔点、良好的抗高温氧化性、较高的高温强度和蠕变抗力以及比强度大等特点，一直是国内外学者研究最多的金属化合物之一，IC10合金作为国内定向凝固高温合金，具有良好的抗氧化、耐腐蚀性能，高温下定向凝固合组织稳定，可用于航空发动机涡轮导向叶片的制造。
随着近年来工业生产的需要，往往需要实现大间隙连接，间隙过大使等温凝固的时间增加，不利于等温凝固和随后的均匀化的进行，而且容易产生脆性相和疏松，导致焊缝强度降低。合适的中间层厚度对焊接接头质量有着重要的影响，中间层过厚不利于等温凝固，中间层太薄，在加热阶段容易被固态扩散消耗完。设计中间层成分并优化其制备工艺以实现IC10高温合金在大间隙的可靠连接，进一步提高Ni3Al基高温合金的接头质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TLP扩散焊用中间层合金，可实现IC10高温合金的大间隙瞬时液相扩散焊，有效的解决目前IC10高温合金所面临的大间隙TLP扩散焊强度不够的问题，焊后常温抗拉强度可以达到母材的85％以上。
本发明的另一目的在于提供一种TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法，利用了上述的TLP扩散焊用中间层合金进行焊接，可实现IC10高温合金的大间隙瞬时液相扩散焊，有效的解决目前IC10高温合金所面临的大间隙TLP扩散焊强度不够的问题，焊后常温抗拉强度可以达到母材的85％以上。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种TLP扩散焊用中间层合金，用于IC10高温合金大间隙焊接作业，TLP扩散焊用中间层合金主要通过以下重量百分数计原料制备得到：
x％镍基片状中间层；
(100-x)％镍基合金粉。
本发明提出一种上述的TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法，其特征在于：
将清理后待焊的IC10棒材置于不锈钢夹具中，形成对焊棒材；
将质量百分数为x％的镍基片状中间层与(100-x)％的镍基合金粉制备得到的TLP扩散焊用中间层合金设置于对焊棒材之间；
调节焊接温度与压力范围，使得焊接温度高于低熔点镍基片状合金熔点，低于高熔点镍基合金粉熔点；
对待焊的IC10棒材形成的对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间。
本发明实施例的提供的TLP扩散焊用中间层合金及其焊接方法的有益效果是：
1)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合配比中间层，其中镍基片状中间合金在IC10母材成分元素的基础，添加了降熔元素B、Hf，在一定的成分范围内配比而成，低于母材的固溶温度1270℃；
2)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合中间层具有良好的润湿性与扩散性，焊前初始间隙为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm；
3)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合配比中间层，可根据不同的焊接工艺需求，进行较大范围内的成分配比调整。
4)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合配比中间层，采用的焊接温度范围，高于低熔点镍基片状合金熔点，低于高熔点镍基合金粉末熔点。在焊接过程中，低熔点的镍基片状合金熔化的液相钎料可填满高熔点合金粉末的间隙，而镍基合金粉仍为固相，其成分与母材成分相近，在随后的保温过程中，随着元素的相互扩散，焊缝和母材的成分易实现均匀化形成成分和组织均匀的接头。
5)本发明的镍基中间层合金有效的解决目前IC10高温合金所面临的大间隙TLP扩散焊强度不够的问题，焊后常温抗拉强度可以达到母材的85％以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的IC10高温合金力学对接试验装配图、常温拉伸试样模型示意图；
图2为本发明实施例提供的镍基片状中间层的DSC熔化曲线；
图3为本发明实施例提供的IC10用镍基中间层合金大间隙TLP扩散焊中间焊缝组织形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的TLP扩散焊用中间层合金及其焊接方法进行具体说明。
本发明的实施例提供了一种TLP扩散焊用中间层合金，用于IC10高温合金大间隙焊接作业，TLP扩散焊用中间层合金主要通过以下重量百分数计原料制备得到：
x％镍基片状中间层；
(100-x)％镍基合金粉。
其中，镍基片状中间层通过单辊甩带机制备而成，且镍基片状合金的中间层的厚度为25～40um。
并且，镍基片状中间层中的各元素成分重量百分比为B2.35～2.45％、Hf2.55～2.65％、C0.087～0.09％、Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Ta6.7～6.9％、W5.1～5.2％以及余量为镍。
其中，镍基合金粉是通过气雾法制备得到的合金粉末，且镍基合金粉的粒度为100～500目。
并且，镍基合金粉中的各元素化学成分重量百分比为Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Hf1.3～1.4％、Ta6.7～6.9％、W4.9～5.2％、C0.087～0.09％以及余量为镍。
同时，根据上述叙述，在制备此TLP扩散焊用中间层合金的过程中，可以采用以下步骤：
1)镍基片状中间层的配制按照计算好的成分配比在电子天平上分别称取纯Hf粒、纯镍片和NiB-2等合金，采用真空熔炉熔炼合金中间层，将熔炼好的中间合金，通过单辊甩带法，制备成片状中间层合金，中间层厚度为25～40um。镍基片状中间层各元素化学成分重量百分比为：B2.35～2.45％、Hf2.55～2.65％、C0.087～0.09％、Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Ta6.7～6.9％、W5.1～5.2％、其余为镍。
2)镍基合金粉的配制通过气雾法制备成的合金粉末，合金粉粒度为100～500目。其各元素化学成分重量百分比为：Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Hf1.4～1.5％、Ta6.7～6.9％、W4.9～5.2％、C0.087～0.09％，其余为镍。
3)镍基片状中间层+镍基合金粉混合配比
按照x％镍基片状中间层+(100-x)％镍基合金粉成分配比，制备成适合于IC10高温合金大间隙TLP扩散焊中间层。
并且作为优选的方案，此TLP扩散焊用混合中间层合金，其中镍基片状中间层熔点温度为：1110.5～1240.7℃，镍基合金粉熔点温度为：1287.1～1339.7℃。
本发明的实施例还提供了一种上述的TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法，包括：
将清理后待焊的IC10棒材置于不锈钢夹具中，形成对焊棒材；
将质量百分数为x％的镍基片状中间层与(100-x)％的镍基合金粉制备得到的TLP扩散焊用中间层合金设置于对焊棒材之间；
调节焊接温度与压力范围，使得焊接温度高于低熔点镍基片状合金熔点，低于高熔点镍基合金粉熔点；
对待焊的IC10棒材形成的对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间。
其中，TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法还包括对待焊的IC10棒材表面进行清理，并先用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光，然后再将母材放入丙酮溶液用超声波清洗后得到清理后待焊的IC10棒材。调节焊接温度与压力的范围的步骤中，温度为1250℃，压力为5MPa。在对待焊的IC10棒材形成的对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间的步骤中，预设时间为6h。IC10高温合金大间隙TLP扩散焊用混合中间层，以镍基片状中间层+镍基合金粉厚度之和为依据，为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm。
对于待焊的IC10高温合金，就是以Ni3Al为基体，采用多种合金元素进行复合强化，追求合金较好的综合性能。表1是镍基高温合金中合金元素及其作用。
表1
镍基高温合金是以奥氏体γ为基体，具有面心立方结构，析出相γ'是共格有序的面心立方金属间化合物，Ni3Al就是γ'的一种。镍基片状中间层是在Ni3Al高温合金的成分基础上，添加降熔元素B及Hf。镍基合金粉是在Ni3Al高温合金的成分基础上，去除了降熔元素B。按照x％镍基片状合金+(100-x)％镍基合金粉成分配比，制备成适合于IC10高温合金大间隙TLP扩散焊中间层。
混合配比而成的中间层，因为加入的合金元素与母材的成分相近，在焊接过程中，随着元素的相互扩散，焊缝和母材的成分易实现均匀化，形成成分和组织均匀的接头,有利于接头力学性能的提高。采用的焊接温度范围，高于低熔点镍基片状合金熔点，低于高熔点镍基合金粉末熔点。在焊接过程中，低熔点的镍基片状合金先熔化，而镍基合金粉仍为固相，因固相的高熔点合金粉末填充于整个大间隙焊缝，将焊缝分割为若干狭缝，在毛细作用下，熔化的液相钎料可填满高熔点合金粉末的间隙和高熔点合金与母材之间的间隙。随着液相钎料润湿并在镍基合金粉表面铺展，B扩散至母材或镍基合金粉中。在随后的保温过程中，因为加入的高熔点合金与母材的成分相近，中间层合金元素与母材合金元素，相互扩散，其中γ-Ni固溶体依附于高熔点合金表面形核并长大，固/液界面向液相中推移，随着保温时间的延长，γ-Ni固溶体继续向高熔点合金中扩散，并逐渐偏析，直到保温过程结束，形成组织均匀的接头。
综上，利用本发明涉及的TLP扩散焊用中间层合金，可适用于IC10高温合金大间隙瞬间液相(TLP)扩散焊，焊缝强度高
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
按50％镍基片状合金+50％镍基合金粉成分配比，对应混合配比中间层化学成分：B1.17～1.22％、Hf1.97～2.07％、C0.087～0.09％、Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Ta6.7～6.9％、W5.1～5.2％、其余为镍。
扩散焊接的条件为：温度为1250℃，压强为5MPa，保温时间为6h，焊后在高真空条件下随炉冷却。
IC10高温合金为Ni3Al定向凝固高温合金。
夹具根据待焊样尺寸设计，由不锈钢材料制成。
对待焊的IC10棒材表面进行清理。先用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光；然后再将母材放入丙酮溶液用超声波清洗。
图1所示为IC10棒材进行扩散焊接的模型，待IC10高温合金呈
圆棒状，夹具为不锈钢。将清理后待焊IC10棒材置于夹具中，对焊棒材之间夹有一小块0.05g镍基片状中间层与0.05g镍基合金粉，镍基片状中间层+镍基合金粉厚度之和为为0.10mm～0.15mm(对应初始大间隙焊缝)。
在温度为1250℃，焊接压力为5MPa的焊接参数下，对IC10棒材进行扩散焊接，保持6h。
按以上步骤实施例获得的IC10焊接接头常温下抗拉强度为827MPa，达到了母材室温抗拉强度的85％以上。
实施例2
按60％镍基片状合金+40％镍基合金粉成分配比，对应混合配比中间层合金化学成分：B1.41～1.47％、Hf2.17～2.19％、C0.087～0.09％、Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Ta6.7～6.9％、
W5.1～5.2％、其余为镍。制备方法同实施例1。
扩散焊接的条件为：温度为1250℃，压强为5MPa，保温时间为6h，焊后在高真空条件下随炉冷却。
将清理后待焊IC10棒材置于夹具中，对焊棒材之间夹有一小块0.06g镍基片状中间层与0.04g镍基合金粉层。
在温度为1250℃，焊接压力为5MPa的焊接参数下，对IC10棒材进行扩散焊接，保持6h。
按以上步骤实施例获得的IC10焊接接头常温下抗拉强度为819MPa，达到了母材室温抗拉强度的85％。
将实施例1以及实施例2制备得到的镍基中间层合金的抗拉强度进行测试，并对焊后焊缝宽度进行测试，结果如表2所示。
表2
根据表2的数据以及实施例的方案可知，本发明提供的镍基中间层合金配置合理，具有以下优点：
1)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合配比中间层，其中镍基片状中间合金在IC10母材成分元素的基础，添加了降熔元素B、Hf，在一定的成分范围内配比而成，低于母材的固溶温度1270℃；
2)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合中间层具有良好的润湿性与扩散性，焊前初始间隙为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm；
3)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合配比中间层，可根据不同的焊接工艺需求，进行较大范围内的成分配比调整。
4)本发明镍基片状合金+镍基合金粉混合配比中间层，采用的焊接温度范围，高于低熔点镍基片状合金熔点，低于高熔点镍基合金粉末熔点。在焊接过程中，低熔点的镍基片状合金熔化的液相钎料可填满高熔点合金粉末的间隙，而镍基合金粉仍为固相，其成分与母材成分相近，在随后的保温过程中，随着元素的相互扩散，焊缝和母材的成分易实现均匀化形成成分和组织均匀的接头。
5)本发明的镍基中间层合金有效的解决目前IC10高温合金所面临的大间隙TLP扩散焊强度不够的问题，焊后常温抗拉强度可以达到母材的85％以上。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种TLP扩散焊用中间层合金，用于IC10高温合金大间隙焊接作业，其特征在于，所述TLP扩散焊用中间层合金主要通过以下重量百分数计原料制备得到：
x％镍基片状中间层；
(100-x)％镍基合金粉。
2.根据权利要求1所述的TLP扩散焊用中间层合金，其特征在于：
所述镍基片状中间层通过单辊甩带机制备而成，且所述镍基片状合金的中间层的厚度为25～40um。
3.根据权利要求1或2所述的TLP扩散焊用中间层合金，其特征在于：
所述镍基片状中间层中的各元素成分重量百分比为B2.35～2.45％、Hf2.55～2.65％、C0.087～0.09％、Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Ta6.7～6.9％、W5.1～5.2％以及余量为镍。
4.根据权利要求1所述的TLP扩散焊用中间层合金，其特征在于：
所述镍基合金粉是通过气雾法制备得到的合金粉末，且所述镍基合金粉的粒度为100～500目。
5.根据权利要求1或4所述的TLP扩散焊用中间层合金，其特征在于：
所述镍基合金粉中的各元素化学成分重量百分比为Al5.4～5.5％、Cr7.1～7.3％、Co12.1～12.3％、Mo1.5～1.6％、Hf1.3～1.4％、Ta6.7～6.9％、W4.9～5.2％、C0.087～0.09％以及余量为镍。
6.根据权利要求1所述的TLP扩散焊用中间层合金，其特征在于：
所述镍基片状中间层的熔点温度为1172.1～1240.7℃，所述镍基合金粉熔点温度为1297.1～1349.7℃。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法，其特征在于，其包括：
将清理后待焊的IC10棒材置于不锈钢夹具中，形成对焊棒材；
将质量百分数为x％的所述镍基片状中间层与(100-x)％的所述镍基合金粉制备得到的所述TLP扩散焊用中间层合金设置于所述对焊棒材之间；
调节焊接温度与压力范围，使得焊接温度高于低熔点镍基片状合金熔点，低于高熔点镍基合金粉熔点；
对所述待焊的IC10棒材形成的所述对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间。
8.根据权利要求7所述的TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法，其特征在于：
所述TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法还包括对待焊的IC10棒材表面进行清理，并先用200#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸逐级磨光，然后再将母材放入丙酮溶液用超声波清洗后得到所述清理后待焊的IC10棒材。
9.根据权利要求7所述的TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法，其特征在于：
调节所述焊接温度与所述压力的范围的步骤中，所述温度为1250℃，所述压力为5MPa。
10.根据权利要求7所述的TLP扩散焊用中间层合金的焊接方法：
在对所述待焊的IC10棒材形成的所述对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间的步骤中，预设时间为6h；
焊接初始间隙与所述镍基片状中间层以及镍基合金粉厚度之和为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm。
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