CN110756980B - 分段式扩散焊接方法、其应用和航空发动机空心叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段式扩散焊接方法、其应用和航空发动机空心叶片，涉及焊接工艺技术领域。该分段式扩散焊接方法，其包括将预处理后的工件置于真空条件下依次进行变形激活焊接阶段和热激活焊接阶段；其中，变形激活焊接阶段包括将工件升温至第一预设温度后加压，随后保温；热激活焊接阶段包括将工件卸压后继续升温至第二预设温度，随后保温。该分段式扩散焊接方法其能够在保证工件高质量焊合的同时也能降低工件的变形量，确保了工件设计的尺寸精度。此外，本申请提供的分段式扩散焊接方法的应用，其能够提高带腔体结构零件的实体制造的精度。而采用上述分段式扩散焊接方法焊接而成的航空发动机空心叶片，其形变量小，精度高，质量轻。
Description
技术领域
本发明涉及焊接工艺技术领域，具体而言，涉及一种分段式扩散焊接方法、其应用和航空发动机空心叶片。
背景技术
扩散焊是指将试样表面在高温下加压，使被连接的表面微观凸起产生塑性变形而增加紧密接触面积，以促进界面原子扩散成键，形成冶金结合，再经一定时间后达到一定扩散深度，形成牢固接头的一种固相精密焊接方法，它具有变形小、精度高、重复性强、强度高等优点，广泛应用与航空、航天、核能等领域。此外，扩散焊技术作为一个精密焊接方法，非常适合带腔体结构零件的实体制造，如航天层板喷注器，航空发动机空心叶片，核能微通道换热器等。
针对带腔体类结构零件的成形对强度、精度的苛刻要求，其扩散焊成形必须在获得可靠焊接质量的同时，确保内腔的尺寸精度满足设计要求。然而传统扩散焊理论认为：焊接压力作用下被焊件的变形是获得高强接头的必要条件。但这种以一定变形(至少5％)为基础的扩散焊成形在制造带内腔结构的零件时，将增加零件壁厚增厚与内腔形面失稳的趋势，如图1所示。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种分段式扩散焊接方法，其能够在保证工件在高质量焊合的同时也能降低工件的变形量，确保了工件设计的尺寸精度。
本发明的第二目的在于提供上述分段式扩散焊接方法的应用，其能够提高带腔体结构零件的实体制造的精度。
本发明的第三目的在于提供一种航空发动机空心叶片，其形变量小，精度高，质量轻。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种分段式扩散焊接方法，其包括将预处理后的工件置于真空条件下依次进行变形激活焊接阶段和热激活焊接阶段；
其中，所述变形激活焊接阶段包括将所述工件升温至第一预设温度后加压，随后保温；
所述热激活焊接阶段包括将所述工件卸压后继续升温至第二预设温度，随后保温。
在可选的实施方式中，所述第一预设温度比所述工件的相变温度低90-150℃；所述第二预设温度比所述工件的相变温度低30-45℃；
优选地，所述工件为带腔体结构的工件；
优选地，所述工件的材质为钛合金、铝合金、镁合金中的任一者。
在可选的实施方式中，所述工件的材质为钛合金，在所述变形激活焊接阶段中，所述第一预设温度为830-890℃；
优选地，保温时间为1-1.5h。
在可选的实施方式中，所述工件的材质为钛合金，在所述热激活焊接阶段中，所述第二预设温度为935-950℃；
优选地，保温时间为3-4h。
在可选的实施方式中，对所述工件进行预处理包括打磨后抛光至所述工件的待焊表面粗糙度为0.3μm-0.8μm；
优选地，在所述工件的待焊表面粗糙度为0.3μm-0.8μm时，在所述变形激活焊接阶段中，将所述工件升温后加压至0.8-1.5MPa；
优选地，所述打磨包括将所述工件的待焊表面依次用#60-100、#220-260、#380-420、#580-620、#780-820、#900-1100和#1800-2200的水磨砂纸进行逐级打磨。
在可选的实施方式中，所述预处理还包括在抛光后将所述工件进行超声清洗；
优选地，将所述工件置于酒精内进行所述超声清洗；
优选地，所述超声清洗的时间为8-12min。
在可选的实施方式中，在进行所述变形激活焊接阶段之前，所述工件处于的真空条件的真空度为3×10-3-4×10-3Pa；
优选地，所述真空条件是通过将所述工件置于真空扩散炉内抽真空进行的。
在可选的实施方式中，在进行所述变形激活焊接阶段和所述热激活焊接阶段时的升温速率均为8-12℃/min。
第二方面，本发明实施例提供如前述实施方式任一项所述的分段式扩散焊接方法在带腔体类结构零件焊接中的应用，所述带腔体结构零件为航天层板喷注器、航空发动机空心叶片或核能微通道换热器。
第三方面，本发明实施例提供一种航空发动机空心叶片，其是采用如前述实施方式任一项所述的分段式扩散焊接方法焊接而成。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的分段式扩散焊接方法，通过在较低的第一预设温度下加压保温以进行变形激活焊接阶段，随后卸压继续升温至较高的第二预设温度下保温以进行热激活焊接阶段。本申请的工件在变形激活焊接阶段温度较低，此时压力的作用可以使接触表面可通过塑性变形与蠕变机制贴合，且焊后变形量主要产生于该阶段。后续的热激活焊接阶段的高温能够激活原子进一步扩散，进而加速接触表面的焊合，而该热激活焊接阶段采取不加压的方式可有效避免产生结构变形，保证了内腔结构的尺寸精度。最后在设计要求的外形面加工完成后，还可以减小工件的壁厚，同时达到了减重的目的。
此外，本申请提供的分段式扩散焊接方法的应用，其能够提高带腔体结构零件的实体制造的精度。而采用上述分段式扩散焊接方法焊接而成的航空发动机空心叶片，其形变量小，精度高，质量轻。
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为现有技术中常规扩散焊制造的带内腔结构的厚壁零件示意图；
图2为本申请的分段式扩散焊接方法的工艺曲线；
图3为本申请的分段式扩散焊接方法制造的带内腔结构的厚壁零件示意图。
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。
本申请提供了一种分段式扩散焊接方法，尤其适用于对形变量要求较高的工件，例如带腔体结构的工件，其能够在保证工件高质量焊合的同时也能降低工件的变形量，确保了工件设计的尺寸精度。
本实施例提供的分段式扩散焊接方法可以针对各种对变形量要求严格的工件，尤其适合于带腔体结构的工件。本申请中的工件的材质可以为多种，包括但不限于钛合金、铝合金、镁合金中的任一者。后续的变形激活焊接阶段以及热激活焊接阶段对各种结构以及各种材质的工件均适合，应理解，当工件材质不同时，焊接时所需的温度、压力以及保温时间可能会发生相应的变化。
本实施例中，以该工件为钛合金材质的带腔体结构的工件为例，通过具体的步骤对本申请提供的分段式扩散焊接方法进行说明。
该分段式扩散焊接方法包括以下步骤(请参阅图2)：
S1、预处理。
将工件的待焊表面进行打磨后抛光，然后对工件进行超声清洗。清洗完成后，将工件装配后垂直放入真空扩散炉，关闭炉门，抽真空。当真空度达到3×10-3-4×10-3Pa时，开始加热。
具体地，本实施例中，打磨时采用逐级打磨的方式，优选采用型号为#60-100、#220-260、#380-420、#580-620、#780-820、#900-1100和#1800-2200的水磨砂纸逐级打磨，更优选地，采用型号为#80、#240、#400、#600、#800、#1000和#2000的水磨砂纸逐级打磨，随后抛光至表面粗糙度达到0.3μm-0.8μm。抛光完成后，将工件放入在酒精里超声清洗8-12min。
S2、变形激活焊接阶段。
将工件升温至第一预设温度后加压，随后保温。
具体地，第一预设温度为830-890℃；优选地，加压至0.8-1.5MPa；优选地，保温时间为1-1.5h。
值得说明的是，由于焊接界面局域化应力受原始表面粗糙度(实际接触面积)的影响，因此加压大小需根据焊接表面的粗糙度进行选择。具体来说，在变形激活焊接阶段中的加压大小随着工件的待焊表面的粗糙度的增大而增大，即在粗糙度0.3μm-0.8μm，压力0.8-1.5MPa的范围内，粗糙度越大，采用的压力也应越大，这样在焊接的初始阶段，压力的作用可使接触表面可通过塑性变形与蠕变机制贴合，且焊后变形量主要产生于该阶段。
S3、热激活焊接阶段。
将工件卸压后继续升温至第二预设温度，随后保温。
具体地，第二预设温度为935-950℃；优选地，保温时间为3-4h。
本申请在热激活焊接阶段采用卸压后在无压力条件的情况下进一步加热，使得温度进一步升高，高温能够激活原子使其进一步扩散，进而加速接触表面焊合，并且本申请中的第二预设温度低于TC4的相变温度(980℃)，能够有效防止高温对组织的退化以及性能的损伤；最后采取了不加压的工艺也可避免产生结构变形，保证了内腔结构的尺寸精度。最后在设计要求的外形面加工完成后，还可以减小工件的壁厚，同时达到了减重的目的。接头的焊合率最终可达98％以上。
此外，还需要说明的是，在步骤S2和步骤S3中的升温速率均为8-12℃/min。经发明人研究发现，升温速率过大时，容易造成工件的加热不均，影响后续的焊接效果，而升温速率过慢时，会延长焊接时间，降低焊接的效率。
S4、焊接完成后，随炉冷至室温后取出即可。
经发明人研究发现，传统扩散焊的“高温(900℃以上)+高压(10MPa以上)”下进行的“变形焊合”思路，必须以变形量至少5％为基础，本申请的发明人通过对“孔洞闭合”、“再结晶”与“原子扩散”三个尺度的动力学、热力学以及冶金学过程的研究，将扩散连接的驱动力归纳为“变形激活”与“热激活”两种有效方式。对“变形激活”与“热激活”两种方式在整个焊接过程中的逻辑与时序关系，揭示了导致接触表面焊合的局域化应力与导致零件变形的基体全域应力两者的敏感度随温度的升高而增大这一规律，提出了低温下采取变形激活、高温时采取热激活的分段式扩散焊接方法。
请结合参阅图1和图3，可以看出，实心部分为原工件的形状，经不同焊接方法焊接后，其会对工件的空腔内腔面进行挤压，产生变形。在设计要求的外形面不变的情况下，工艺决定的内腔面变形越大，那么壁厚越厚，内腔高度越低，此时焊接完成后的工件的重量较大(即图1所示)，而采用本申请的方法进行焊接时，由于变形率低，此时壁厚小，内腔高度大，保证了内腔结构尺寸精度，同时还达到减重的目的。
这种工艺与传统扩散焊方法相比：
(1)零件的变形量可从5％降低到了1％以下，重复性高，接头的焊合率可达98％以上，且与母材等强。
(2)零件还可在保证了内腔结构尺寸精度的基础上达到减重的目的，这在钛合金带腔体类零件的扩散焊制造技术上是一个很大的突破。
基于上述分段式扩散焊接方法，申请人发现还可以将该分段式扩散焊接方法广泛应用于各种对变形量有严格要求的工件中，尤其是在带腔体结构零件焊接中的应用，该带腔体结构零件包括但不限于：航天层板喷注器、航空发动机空心叶片和核能微通道换热器中的一种或多种。
进一步地，本申请尤其还提出一种应用示例，即航空发动机空心叶片，其要求该航空发动机空心叶片整体质量轻，形变小，内腔结构尺寸精度高，因此，可采用本申请提供的分段式扩散焊接方法进行焊接。
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分段式扩散焊接方法，其包括以下步骤：
S1、预处理。
将钛合金带腔体结构的工件的待焊表面采用型号为#80、#240、#400、#600、#800、#1000和#2000的水磨砂纸逐级打磨，随后抛光至表面粗糙度达到0.5μm。抛光完成后，将工件放入在酒精里超声清洗10min。清洗完成后，将工件装配后垂直放入真空扩散炉，关闭炉门，抽真空。当真空度达到3.3×10-3Pa时，开始加热。
S2、变形激活焊接阶段。
将工件以10℃/min的升温速率升温至860℃后，加压至1.1MPa，保温1.2h。
S3、热激活焊接阶段。
将工件卸压后继续以10℃/min的升温速率升温至940℃，保温为3h。
S4、焊接完成后，随炉冷至室温后取出即可。
实施例2
本实施例提供了一种分段式扩散焊接方法，其包括以下步骤：
S1、预处理。
将钛合金带腔体结构的工件的待焊表面采用型号为#80、#240、#400、#600、#800、#1000和#2000的水磨砂纸逐级打磨，随后抛光至表面粗糙度达到0.3μm。抛光完成后，将工件放入在酒精里超声清洗8min。清洗完成后，将工件装配后垂直放入真空扩散炉，关闭炉门，抽真空。当真空度达到3.3×10-3Pa时，开始加热。
S2、变形激活焊接阶段。
将工件以8℃/min的升温速率升温至830℃后，加压至0.8MPa，保温1.5h。
S3、热激活焊接阶段。
将工件卸压后继续以8℃/min的升温速率升温至935℃，保温为4h。
S4、焊接完成后，随炉冷至室温后取出即可。
实施例3
本实施例提供了一种分段式扩散焊接方法，其包括以下步骤：
S1、预处理。
将钛合金带腔体结构的工件的待焊表面采用型号为#80、#240、#400、#600、#800、#1000和#2000的水磨砂纸逐级打磨，随后抛光至表面粗糙度达到0.4μm。抛光完成后，将工件放入在酒精里超声清洗9min。清洗完成后，将工件装配后垂直放入真空扩散炉，关闭炉门，抽真空。当真空度达到3.3×10-3Pa时，开始加热。
S2、变形激活焊接阶段。
将工件以9℃/min的升温速率升温至840℃后，加压至1MPa，保温1.2h。
S3、热激活焊接阶段。
将工件卸压后继续以9℃/min的升温速率升温至945℃，保温为3.5h。
S4、焊接完成后，随炉冷至室温后取出即可。
实施例4
本实施例提供了一种分段式扩散焊接方法，其包括以下步骤：
S1、预处理。
将钛合金带腔体结构的工件的待焊表面采用型号为#60、#220、#380、#580、#780、#900和#1800的水磨砂纸逐级打磨，随后抛光至表面粗糙度达到0.6μm。抛光完成后，将工件放入在酒精里超声清洗11min。清洗完成后，将工件装配后垂直放入真空扩散炉，关闭炉门，抽真空。当真空度达到4×10-3Pa时，开始加热。
S2、变形激活焊接阶段。
将工件以11℃/min的升温速率升温至880℃后，加压至1.4MPa，保温1-1.5h。
S3、热激活焊接阶段。
将工件卸压后继续以11℃/min的升温速率升温至948℃，保温为3.6h。
S4、焊接完成后，随炉冷至室温后取出即可。
实施例5
本实施例提供了一种分段式扩散焊接方法，其包括以下步骤：
S1、预处理。
将钛合金带腔体结构的工件的待焊表面采用型号为#100、#260、#420、#620、#820、#1100和#2200的水磨砂纸逐级打磨，随后抛光至表面粗糙度达到0.8μm。抛光完成后，将工件放入在酒精里超声清洗12min。清洗完成后，将工件装配后垂直放入真空扩散炉，关闭炉门，抽真空。当真空度达到3×10-3Pa时，开始加热。
S2、变形激活焊接阶段。
将工件以12℃/min的升温速率升温至890℃后，加压至1.5MPa，保温1h。
S3、热激活焊接阶段。
将工件卸压后继续以12℃/min的升温速率升温至950℃，保温为3h。
S4、焊接完成后，随炉冷至室温后取出即可。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，区别在于，将实施例1中的压力变为0.8MPa。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，区别在于，将实施例1中的工件材质从钛合金变为铝合金。
本实施例提供了一种分段式扩散焊接方法，其包括以下步骤：
S1、预处理。
将铝合金带腔体结构的工件的待焊表面采用型号为#60、#220、#380、#580、#780、#900和#1800的水磨砂纸逐级打磨，随后抛光至表面粗糙度达到0.2μm。抛光完成后，将工件放入15％的氢氧化钠溶液中碱洗3min，再于30％的HNO3溶液中酸洗30s，用清水冲洗干净吹干；随后在酒精里超声清洗11min。清洗完成后，将工件装配后垂直放入真空扩散炉，关闭炉门，抽真空。当真空度达到4×10-3Pa时，开始加热。
S2、变形激活焊接阶段。
将工件以11℃/min的升温速率升温至420℃后，加压至2.5MPa，保温1.5h。
S3、热激活焊接阶段。
将工件卸压后继续以12℃/min的升温速率升温至530℃，保温为2h。
S4、焊接完成后，随炉冷至室温后取出即可。
对比例1
省略实施例1中的步骤S3的热激活焊接阶段。
对比例2
在实施例1中的步骤S3热激活焊接阶段中不进行卸压操作，直接升温至940℃。
对比例3
将实施例1中的步骤S2变形激活焊接阶段的压力省略，在步骤S3加压，具体为：将工件以10℃/min的升温速率升温至860℃后，保温1.2h。将工件继续以10℃/min的升温速率升温至940℃，加压至1.1MPa，保温为3h。
对比例4
采用现有的扩散焊方法对钛合金带腔体结构的工件进行焊接，具体为：将工件升温至800℃后，加压至10MPa，保温5h。
对比例5
采用现有的焊接方法对铝合金带腔体结构的工件进行焊接，具体为：将工件升温至560℃后，加压至5MPa，保温3h。
将上述实施例1-7以及对比例1-5获得的焊接工件的采用切取金相试片的方法来检测焊合率和变形率，检测结果如下：
| 示例 | 焊合率/％ | 变形率/％ |
| 实施例1 | 98.2 | 0.85 |
| 实施例2 | 98.8 | 0.75 |
| 实施例3 | 98.9 | 0.81 |
| 实施例4 | 99.1 | 0.92 |
| 实施例5 | 99.7 | 0.95 |
| 实施例6 | 99.3 | 0.78 |
| 实施例7 | 98.5 | 0.96 |
| 对比例1 | 81.2 | 0.85 |
| 对比例2 | 97.7 | 3.83 |
| 对比例3 | 85.3 | 2.01 |
| 对比例4 | 96.1 | 6.32 |
| 对比例5 | 95.9 | 3.59 |
从上表可以看出，本申请的实施例1-7的效果均优于对比例1-5，其中，对比例1中省略了热激活焊接阶段后，其焊合率明显低于实施例1的焊接率，但是变形率未发生变化，这说明本申请中主要变形阶段在变形激活焊接阶段。对比例2中虽然焊合率高于实施例1，但是其变形率高达3.83％，这说明在热激活焊接阶段中加压会严重加大变形率。而对比例3中，采用先无压后加压的方式进行焊接，焊接率和变形率均无法达到要求，而对比例4和对比例5中，采用现有技术进行焊接，其能够满足焊接率的要求，但是无法满足变形率的要求。
综上所述，本申请提供的分段式扩散焊接方法，通过在分段式焊接的方法，尤其是，在较低的第一预设温度下加压保温以进行变形激活焊接阶段，随后卸压继续升温至较高的第二预设温度下保温以进行热激活焊接阶段。本申请的工件在变形激活焊接阶段温度较低，此时压力的作用可以使接触表面可通过塑性变形与蠕变机制贴合，且焊后变形量主要产生于该阶段。后续的热激活焊接阶段的高温能够激活原子进一步扩散，进而加速接触表面的焊合，而该热激活焊接阶段采取不加压的方式可有效避免产生结构变形，保证了内腔结构的尺寸精度。最后在设计要求的外形面加工完成后，还可以减小工件的壁厚，同时达到了减重的目的。
此外，本申请提供的分段式扩散焊接方法的应用，其能够提高带腔体结构零件的实体制造的精度。而采用上述分段式扩散焊接方法焊接而成的航空发动机空心叶片，其形变量小，精度高，质量轻。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种分段式扩散焊接方法，其特征在于，其包括将预处理后的工件置于真空条件下依次进行变形激活焊接阶段和热激活焊接阶段；对所述工件进行预处理包括打磨后抛光至所述工件的待焊表面粗糙度为0.3μm-0.8μm；在所述工件的待焊表面粗糙度为0.3μm-0.8μm时，在所述变形激活焊接阶段中，将所述工件升温后加压至0.8-1.5MPa；
其中，所述变形激活焊接阶段包括将所述工件升温至第一预设温度后加压，随后保温；
所述热激活焊接阶段包括将所述工件卸压后继续升温至第二预设温度，随后保温；
所述第一预设温度比所述工件的相变温度低90-150℃；所述第二预设温度比所述工件的相变温度低30-45℃。
2.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述工件为带腔体结构的工件。
3.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述工件的材质为钛合金、铝合金、镁合金中的任一者。
4.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述工件的材质为钛合金，在所述变形激活焊接阶段中，所述第一预设温度为830-890℃。
5.根据权利要求4所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，在所述变形激活焊接阶段中，保温时间为1-1.5h。
6.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述工件的材质为钛合金，在所述热激活焊接阶段中，所述第二预设温度为935-950℃。
7.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，在所述热激活焊接阶段中，保温时间为3-4h。
8.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述打磨包括将所述工件的待焊表面依次用#60-100、#220-260、#380-420、#580-620、#780-820、#900-1100和#1800-2200的水磨砂纸进行逐级打磨。
9.根据权利要求8所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述预处理还包括在抛光后将所述工件进行超声清洗。
10.根据权利要求9所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，将所述工件置于酒精内进行所述超声清洗。
11.根据权利要求9所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述超声清洗的时间为8-12min。
12.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，在进行所述变形激活焊接阶段之前，所述工件处于的真空条件的真空度为3×10-3-4×10-3Pa。
13.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，所述真空条件是通过将所述工件置于真空扩散炉内抽真空得到的。
14.根据权利要求1所述的分段式扩散焊接方法，其特征在于，在进行所述变形激活焊接阶段和所述热激活焊接阶段时的升温速率均为8-12℃/min。
15.如权利要求1-14任一项所述的分段式扩散焊接方法在带腔体结构零件焊接中的应用，其特征在于，所述带腔体结构零件为航天层板喷注器、航空发动机空心叶片或核能微通道换热器。
16.一种航空发动机空心叶片，其特征在于，其是采用如权利要求1-14任一项所述的分段式扩散焊接方法焊接而成。
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