CN109128575A - 一种镍基片状中间层合金及其焊接方法 - Google Patents

一种镍基片状中间层合金及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基片状中间层合金，涉及焊接技术领域。该镍基片状中间合金包括B1.5～3％、Hf1.5～3％、Nb0.5～3％、V0.5～3％、C0.08～0.1％、Al5.1～5.9％、Cr7.0～7.5％、Co12.0～12.5％、Mo1.4～1.7％、Ta6.6～7.0％、W5.0～5.3％以及余量为镍。此合金低于母材的固溶温度1270℃，具有良好的润湿性与扩散性，焊前初始间隙为0.10～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm。可实现IC10高温合金的大间隙瞬时液相扩散焊，解决大间隙TLP扩散焊高温强度不够的问题，焊后1000℃高温下，抗拉强度可以达到母材的80％以上。

Description

一种镍基片状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，且特别涉及一种镍基片状中间层合金及其焊接方法。
背景技术
瞬态液相(TLP)扩散连接是一种介于熔焊和钎焊之间的连接技术，其原理是用一种特殊成分、熔化温度稍低的薄层中间层合金作为连接合金，在真空条件下加热，母材与中间层之间形成低熔点液相，液相均匀化扩散后等温凝固，最后形成组织均匀的焊缝接头。TLP扩散焊目前已广泛应用于镍基、钴基等多种高温合金的连接，特别是镍基合金的首选连接方法。TLP扩散焊采用的中间层合金是关系到焊接成败的重要因素。作为中间层合金首先应该与母材润湿性好，并且不易生成有害的金属间化合物，同时也要控制中间层合金组织均匀化所需时间的合理化。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基化合物合金具有足够的持久强度和良好的热疲劳性能，以及高的抗氧化和抗腐蚀能力，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镍基片状中间层合金，此镍基片状中间层合金可实现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扩散焊高温强度不够的问题，焊后1000℃高温下，抗拉强度可以达到母材的80％以上。
本发明的另一目的在于提供一种镍基片状中间层合金的焊接方法，该方法利用了上述的镍基片状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扩散焊高温强度不够的问题，焊后1000℃高温抗拉强度可以达到母材的80％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。
本发明提出一种镍基片状中间层合金，用于IC10高温合金大间隙TLP扩散焊作业，镍基片状中间层合金主要由按照重量百分比计的以下原料制成：
B1.5～3％、Hf1.5～3％、Nb0.5～3％、V0.5～3％、C0.08～0.1％、Al5.1～5.9％、Cr7.0～7.5％、Co12.0～12.5％、Mo1.4～1.7％、Ta6.6～7.0％、W5.0～5.3％以及余量为镍。
本发明提出一种镍基片状中间层合金的焊接方法，其包括：
将两个IC10棒材分别置于相对设置的两个不锈钢夹具中，以形成对焊棒材；
将厚度为0.1～0.2mm的镍基片状中间层合金设置于对焊棒材之间；
调节焊接温度与压力，使得焊接温度高于镍基片状中间层合金的熔点；
对待焊的对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间。
本发明实施例的镍基片状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，添加了γ固溶强化元素V，γ′沉淀强化与γ′稳定化元素Nb，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)本发明的镍基片状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1000℃高温抗拉强度可以达到母材的80％。
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、高温拉伸试样模型示意图；
图2为本发明实施例提供的IC10用镍基片状中间层合金大间隙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镍基片状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镍基片状中间层合金，用于IC10高温合金大间隙TLP扩散焊作业，镍基片状中间层合金主要由按照重量百分比计的以下原料制成：
B1.5～3％、Hf1.5～3％、Nb0.5～3％、V0.5～3％、C0.08～0.1％、Al5.1～5.9％、Cr7.0～7.5％、Co12.0～12.5％、Mo1.4～1.7％、Ta6.6～7.0％、W5.0～5.3％以及余量为镍。
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，添加了γ固溶强化元素V，γ′沉淀强化与γ′稳定化元素Nb，在一定的成分范围内配比而成，低于母材的固溶温度1270℃，具体为1122.1～1170.7℃。其具体地对应作用如表1所示。
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，添加了γ固溶强化元素V，γ′沉淀强化与γ′稳定化元素Nb。
镍基片状中间层，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，高于镍基片状合金熔点(50～100℃)。在焊接过程中，随着液相钎料润湿并在镍基合金粉表面铺展，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。
因此，本发明涉及的镍基片状中间层合金，可适用于IC10高温合金大间隙瞬间液相(TLP)扩散焊，焊缝强度较高。
并且，在本发明的实施例中，镍基片状中间层合金通过以下方法制备而成：将镍基片状中间层合金通过非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼作业。
作为优选的方案，还包括将熔炼后的镍基片状中间层合金经过线切割作业，切割成圆片状焊料；将圆片状焊料通过砂纸打磨至表面无划痕，并放入丙酮溶液中进行超声清洗。且，圆片状焊料与IC10棒材的直径相同，且均为Φ15±0.2mm。圆片状焊料的厚度为0.1mm～0.2mm。
具体地，在制备过程中，根据上述叙述，在制备此镍基片状中间层合金的过程中，可以采用以下步骤：
1)镍基中间层的熔炼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，采用非自耗真空电弧熔炉熔炼合金中间层，熔炼时为为防止飞溅，充入氩气作为保护气，为保证合金成分均匀，一般前后熔炼5～7次。
2)镍基片状中间层的制备将熔炼好的中间合金，通过线切割切割成所需圆片状焊料，再通过砂纸打磨至表面无划痕，放入丙酮溶液用超声波清洗后以待备用。圆片状中间层的直径为Φ15±0.2mm，与IC10棒材直径尺寸相同，中间层的厚度为0.1mm～0.2mm。
本发明的实施例还提供了一种镍基片状中间层合金的焊接方法，其包括：
S1：将两个IC10棒材分别置于相对设置的两个不锈钢夹具中，以形成对焊棒材；其中，在将两个IC10棒材分别置于相对设置的两个不锈钢夹具中之前还包括对待焊的IC10棒材表面进行清理，清理过程包括：
焊前用车床对原IC10棒材表面进行了车铣；
将车铣后的原IC10棒材经800#、1000#、1200#、1500#金相砂纸逐级磨光形成母材；
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。
S2：将厚度为0.1～0.2mm的镍基片状中间层合金设置于对焊棒材之间；
S3：调节焊接温度与压力，使得焊接温度高于镍基片状中间层合金的熔点；其中，温度参数设置为1230℃，压力参数设置为5MPa。
S4：对待焊的对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间。其中，预设时间为8h，焊接初始间隙与镍基片状中间层合金的厚度相同为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm。
该方法利用了上述的镍基片状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扩散焊高温强度不够的问题，焊后1000℃高温抗拉强度可以达到母材的80％以上。
综上，利用本发明涉及的镍基片状中间层合金及其焊接方法，可适用于IC10高温合金大间隙瞬间液相(TLP)扩散焊，焊缝强度较高。
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
本实施例提供了一种镍基片状中间层合金的焊接方法，其包括以下步骤：
S1：焊前用车床对原IC10棒材表面进行了车铣；将车铣后的原IC10棒材经800#、1000#、1200#、1500#金相砂纸逐级磨光形成母材；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。
S2：将两个IC10棒材分别置于相对设置的两个不锈钢夹具中，以形成对焊棒材；
S3：将厚度为0.1mm的镍基片状中间层合金设置于对焊棒材之间；其中，该镍基片状中间层合金包括重量百分比计的以下原料：B2.4％、Hf2.6％、Nb0.5％、V0.8％、C0.089％、Al5.5％、Cr7.2％、Co12.2％、Mo1.5％、Ta6.8％、W5.1％以及余量为镍。且，该镍基片状中间层合金通过以下方法制备得到：
S31：将镍基片状中间层合金通过非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼作业；
S32：将熔炼后的镍基片状中间层合金经过线切割作业，切割成圆片状焊料；其中，圆片状焊料与IC10棒材的直径相同，且均为Φ15±0.2mm；圆片状焊料的厚度为0.1mm；
S33：将圆片状焊料通过砂纸打磨至表面无划痕，并放入丙酮溶液中进行超声清洗。
S4：调节焊接温度与压力，使得焊接温度高于镍基片状中间层合金的熔点；其中，温度参数设置为1230℃，压力参数设置为5MPa。
S5：对待焊的对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间，其中，预设时间为8h，焊接初始间隙与镍基片状中间层合金的厚度相同为0.10mm，焊后焊缝宽度为0.1mm。
实施例2
本实施例提供了一种镍基片状中间层合金的焊接方法，其包括以下步骤：
S1：焊前用车床对原IC10棒材表面进行了车铣；将车铣后的原IC10棒材经800#、1000#、1200#、1500#金相砂纸逐级磨光形成母材；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。
S2：将两个IC10棒材分别置于相对设置的两个不锈钢夹具中，以形成对焊棒材；
S3：将厚度为0.12mm的镍基片状中间层合金设置于对焊棒材之间；其中，该镍基片状中间层合金包括重量百分比计的以下原料：B2.4％、Hf2.6％、Nb0.8％、V0.5％、C0.089％、Al5.5％、Cr7.2％、Co12.2％、Mo1.5％、Ta6.8％、W5.1％及余量为镍。且，该镍基片状中间层合金通过以下方法制备得到：
S31：将镍基片状中间层合金通过非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼作业；
S32：将熔炼后的镍基片状中间层合金经过线切割作业，切割成圆片状焊料；其中，圆片状焊料与IC10棒材的直径相同，且均为Φ15±0.2mm；圆片状焊料的厚度为0.12mm；
S33：将圆片状焊料通过砂纸打磨至表面无划痕，并放入丙酮溶液中进行超声清洗。
S4：调节焊接温度与压力，使得焊接温度高于镍基片状中间层合金的熔点；其中，温度参数设置为1230℃，压力参数设置为5MPa。
S5：对待焊的对焊棒材进行焊接，并在焊接后保持预设时间，其中，预设时间为8h，焊接初始间隙与镍基片状中间层合金的厚度相同为0.12mm。
实验例1
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，本发明提供的镍基片状中间层合金配置合理，具有以下优点：
1)本发明镍基片状中间层合金，是在IC10母材成分元素的基础，添加了降熔元素B、Hf，同时添加了γ固溶强化元素V，γ′沉淀强化与γ′稳定化元素Nb；在一定的成分范围内配比而成，低于母材的固溶温度1270℃；
2)本发明镍基片状中间层具有良好的润湿性与扩散性，焊前初始间隙为与中间层厚度相图为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm；
3)本发明的镍基片状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扩散焊高温强度不够的问题，焊后1000℃高温抗拉强度可以达到母材的80％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)

1.一种镍基片状中间层合金，用于IC10高温合金大间隙TLP扩散焊作业，其特征在于，所述镍基片状中间层合金主要由按照重量百分比计的以下原料制成：
B1.5～3％、Hf1.5～3％、Nb0.5～3％、V0.5～3％、C0.08～0.1％、Al5.1～5.9％、Cr7.0～7.5％、Co12.0～12.5％、Mo1.4～1.7％、Ta6.6～7.0％、W5.0～5.3％以及余量为镍。
2.根据权利要求1所述的镍基片状中间层合金，其特征在于：
所述镍基片状中间层的熔点温度为1122.1～1170.7℃。
3.根据权利要求1或2所述的镍基片状中间层合金，其特征在于，所述镍基片状中间层合金通过以下方法制备而成：
将所述镍基片状中间层合金通过非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼作业。
4.根据权利要求3所述的镍基片状中间层合金，其特征在于，所述镍基片状中间层合金还通过以下方法制备而成：
将熔炼后的所述镍基片状中间层合金经过线切割作业，切割成圆片状焊料；
将所述圆片状焊料通过砂纸打磨至表面无划痕，并放入丙酮溶液中进行超声清洗。
5.根据权利要求4所述的镍基片状中间层合金，其特征在于：
所述圆片状焊料与IC10棒材的直径相同，且均为Φ15±0.2mm。
6.根据权利要求4所述的镍基片状中间层合金，其特征在于：
所述圆片状焊料的厚度为0.1mm～0.2mm。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的镍基片状中间层合金的焊接方法，其特征在于，其包括：
将两个IC10棒材分别置于相对设置的两个不锈钢夹具中，以形成对焊棒材；
将厚度为0.1～0.2mm的所述镍基片状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，使得焊接温度高于所述镍基片状中间层合金的熔点；
对待焊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所述的镍基片状中间层合金，其特征在于，在将两个所述IC10棒材分别置于相对设置的两个所述不锈钢夹具中之前还包括对待焊的所述IC10棒材表面进行清理，清理过程包括：
焊前用车床对原IC10棒材表面进行了车铣；
将车铣后的原IC10棒材经800#、1000#、1200#、1500#金相砂纸逐级磨光形成母材；
将所述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所述IC10棒材。
9.根据权利要求7所述的镍基片状中间层合金，其特征在于：
在调节焊接温度与压力的步骤中，温度参数设置为1230℃，压力参数设置为5MPa。
10.根据权利要求7所述的镍基片状中间层合金，其特征在于：
在对待焊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，所述预设时间为8h，焊接初始间隙与所述镍基片状中间层合金的厚度相同为0.10mm～0.20mm，焊后焊缝宽度为0.04～0.15mm。
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