CN111168221B - 一种k417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，包括步骤一，备料，一块骨架和两块蒙皮，骨架和蒙皮的材质均为K417高温合金；步骤二、焊前处理，骨架与蒙皮接合面的抛光处理；蒙皮骨架酸洗；步骤三、将两块蒙皮分别放置在骨架的上下面的凹槽中，组成蒙皮骨架结构件；步骤四、通过石墨限位工装套设在蒙皮骨架结构件的外侧，且石墨限位工装需低于上蒙皮的上表面；步骤五、蒙皮骨架结构件放入扩散焊炉中，进行扩散连接；步骤六、取出结构件进行强度检测、蒙皮平面度检测及对称度检测。本发明实现了K417高温合金的高质量、高精度的连接，且焊接后的蒙皮骨架结构件的连接强度满足要求，结构件无焊后变形等问题。

Description

一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法
技术领域
本发明属于扩散连接技术领域，尤其是涉及一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法。
背景技术
蒙皮与骨架结构是结构件在保证强度的前提下降低重量的常用结构。该结构常被设计在飞行器的舵、翼等关键部件中。作为一种空气动力组件，承受着巨大的作用力，另外在飞行器高速运动的过程中，舵面会承受持续高温等严苛的工作环境。常用的蒙皮与骨架连接的方法为激光焊接或者电子束焊接，对焊接接头的质量要求高。随着飞行器更新换代，对该类结构件的性能要求越来越高，原用的铝合金、钛合金等材料已不能满足设计要求，需要寻找一种工作温度更高、比强度更高的材料。
K417高温合金是一种低密度、高强度的镍基铸造高温合金。其成分中的铝和钛含量较高，形成约占合金重量67％的γ’强化相，因而高温强度较高、塑性较好，加之其密度较低(7.8g/cm3)，故特别适宜制作高温结构件。然而，由于其化学成分中存在4.8-5.7％的Al和4.5-5.0％的Ti，在熔焊的过程中会容易产生金属间化合物，从而容易产生裂纹，被认为是一种不可焊接的高温合金。此种材料被设计应用在舵、翼等结构件中，无法用以往常用的激光焊接或者电子束焊接进行蒙皮与骨架的连接，需要其他的方式进行连接。
扩散连接技术是在一定的温度和压力下，经过一定时间的保温，真空环境中连接界面原子相互扩散而实现可靠连接，属于固相连接方法。主要用于传统的熔焊方法难以焊接的金属材料、陶瓷、金属间化合物、复合材料的连接。
真空扩散连接技术是实现K417高温合金获得高质量、高精度连接接头的有效手段之一。国内外学者对此种材料的扩散连接工艺的研究鲜有报道。另外，此种材料蒙皮与骨架结构的扩散连接对工艺方法提出了更高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，实现了K417高温合金的高质量、高精度的连接，且焊接后的蒙皮骨架结构件的扩散连接强度满足要求，两侧蒙皮平面度和对称度满足要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，包括以下步骤：
步骤一，备料，一块骨架和两块蒙皮，骨架和蒙皮的材质均为K417高温合金；
步骤二、焊前处理，骨架与蒙皮接合面的抛光处理；将蒙皮酸洗，骨架酸洗；
步骤三、将两块蒙皮分别放置在骨架的上下表面的凹槽中，组成蒙皮骨架结构件；
步骤四、通过石墨限位工装套设在蒙皮骨架结构件的外侧，且石墨限位工装需低于上蒙皮的上表面；
步骤五、将步骤四中的蒙皮骨架结构件放入扩散焊炉中，进行扩散连接，具体为：
首先，抽真空，使扩散焊炉内真空度小于5×10-3Pa；
其次，扩散焊炉内温度先自室温升温至400℃后保温1小时，再继续升温至800℃后保温一小时，最后再继续升温至扩散连接温度，保温；
然后，达到扩散连接温度后，对扩散焊炉内的蒙皮骨架结构件缓慢加压至扩散连接压强，保压；
最后，保压保温一段时间后，随炉冷却，完成结构件的扩散连接；
步骤六、取出完成扩散连接的蒙皮骨架结构件进行扩散连接强度检测、两侧蒙皮平面度检测及对称度检测。
进一步的，所述骨架中部设有筋条，骨架厚度为30mm,骨架的上下表面凹槽的下陷深度为3mm，四周蒙皮搭接处宽度为5mm，骨架中部的筋条宽度为5mm。
进一步的，在蒙皮骨架结构件外侧和中部的筋条处分别设有用于强度测试和内部气体连通的通气孔。
进一步的，步骤四中，所述石墨限位工装需低于上蒙皮的上表面1mm。
进一步的，步骤五中，扩散连接温度为1100℃，扩散连接压强为50MPa。
进一步的，步骤五中，自室温升温至400℃需2小时，自400℃升温至800℃需2小时，自800℃升温至1100℃需1小时。
进一步的，步骤五中，保温保压4小时后，停止施压，随炉冷却，完成结构件的扩散连接。
进一步的，步骤六中的扩散连接强度检测为：在气压内压1MPa作用下 10min蒙皮骨架结构件无泄漏为合格。
相对于现有技术，本发明所述的一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法具有以下优势：
本发明所述的一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，按本方法得到的蒙皮骨架结构件能够实现有效的连接，且结构件受内压1MPa 作用下10min不泄露。
用本方法加工的蒙皮与骨架结构于传统的熔焊方法相比，焊后结构件不会产生变形。用三坐标测量仪对蒙皮平面度及对称度进行检测，蒙皮平面度、对称度均可以满足设计要求。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为K417材质的骨架的结构示意图；
图2为蒙皮骨架结构件的结构示意图；
图3为石墨限位工装与蒙皮骨架结构件的连接示意图。
附图标记说明：
1-骨架，2-蒙皮，3-石墨限位工装。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图3所示，一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，包括以下步骤：
步骤一，备料，一块骨架和两块蒙皮，骨架和蒙皮的材质均为K417高温合金；所述骨架中部设有筋条，骨架厚度为30mm，骨架的上下表面凹槽的下陷深度为3mm，四周蒙皮搭接处宽度为5mm，骨架中部的筋条宽度为5mm；在蒙皮骨架结构件外侧和中部的筋条处分别设有用于强度测试和内部气体连通的通气孔；
步骤二、焊前处理，骨架与蒙皮接合面的抛光处理；将蒙皮酸洗，骨架酸洗；
步骤三、将两块蒙皮分别放置在骨架的上下表面的凹槽中，组成蒙皮骨架结构件；
步骤四、通过石墨限位工装套设在蒙皮骨架结构件的外侧，且石墨限位工装需低于上蒙皮的上表面1mm，防止对蒙皮骨架结构件加压时对蒙皮压力过大，影响焊接效果；
步骤五、将步骤四中的蒙皮骨架结构件放入扩散焊炉中，进行扩散连接，具体为：
首先，抽真空，使扩散焊炉内真空度小于5×10-3Pa；
其次，扩散焊炉内温度先自室温升温至400℃后保温1小时，自室温升温至400℃需2小时，再继续升温至800℃后保温一小时，自400℃升温至 800℃需2小时，最后再继续升温至扩散连接温度，保温，扩散连接温度为 1100℃，自800℃升温至1100℃需1小时；
然后，达到扩散连接温度后，对扩散焊炉内的蒙皮骨架结构件缓慢加压至扩散连接压强，扩散连接压强为50Mpa，保压；
最后，保温保压4小时后，释放压力，随炉冷却一段时间后，完成结构件的扩散连接；
步骤六、取出完成扩散连接的蒙皮骨架结构件进行扩散连接强度检测、两侧蒙皮平面度检测及对称度检测；扩散连接强度检测为：在气压内压1MPa 作用下10min蒙皮骨架结构件无泄漏为合格；用三坐标测量仪对蒙皮平面度及对称度进行检测，蒙皮平面度、对称度均可以满足设计要求。
一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接的方法，按本方法得到的蒙皮骨架结构件能够实现有效的连接，且结构件受内压1MPa作用下10min不泄露。
用本方法加工的蒙皮与骨架结构于传统的熔焊方法相比，焊后结构件不会产生变形。用三坐标测量仪对蒙皮平面度及对称度进行检测，蒙皮平面度、对称度均可以满足设计要求。
采用下述试验，验证本方法扩散连接后的接头连接质量：
对两根K417高温合金圆棒进行扩散连接试验，当扩散温度低于1050℃时，试棒界面扩散不完全，在金相图像上存在明显的断续分界线；当扩散温度达到1100℃以上时，分界线消失；当作用压强低于40MPa时，扩散连接界面存在孔洞缺陷，逐渐提高作用压强至50MPa，该种缺陷消失。另外，扩散时间对材料连接质量也存在较大影响，在测试相同扩散温度、压强等条件下不同的扩散时间下材料扩散连接质量，发现扩散时间过短，界面扩散不完全，影响接头抗拉强度，扩散时间过长会导致晶粒增大，综合接头质量和经济因素考虑。
因此两根K417高温合金圆棒在工艺参数为：扩散温度1100℃、作用压强50MPa、扩散时间4h、真空度不大于5×10-3Pa条件下进行扩散连接试验。对按本方法完成扩散连接试棒进行抗拉强度检测、金相检测，检测结果为：焊合率大于90％，抗拉强度大于800Mpa。
可见，本方法针对K417材质的材料进行扩散连接后，焊接合格率高，满足相关的使用条件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，备料，一块骨架和两块蒙皮，骨架和蒙皮的材质均为K417高温合金；所述骨架中部设有筋条，骨架厚度为30mm，骨架的上下表面凹槽的下陷深度为3mm，四周蒙皮搭接处宽度为5mm，骨架中部的筋条宽度为5mm；
步骤二、焊前处理，骨架与蒙皮接合面的抛光处理；将蒙皮酸洗，骨架酸洗；
步骤三、将两块蒙皮分别放置在骨架的上下表面的凹槽中，组成蒙皮骨架结构件；
步骤四、通过石墨限位工装套设在蒙皮骨架结构件的外侧，且石墨限位工装需低于上蒙皮的上表面；
步骤五、将步骤四中的蒙皮骨架结构件放入扩散焊炉中，进行扩散连接，具体为：
首先，抽真空，使扩散焊炉内真空度小于5×10-3Pa；
其次，扩散焊炉内温度先自室温升温至400℃后保温1小时，再继续升温至800℃后保温一小时，最后再继续升温至扩散连接温度，保温；
然后，达到扩散连接温度后，对扩散焊炉内的蒙皮骨架结构件缓慢加压至扩散连接压强，保压；扩散连接温度为1100℃，扩散连接压强为50MPa；自室温升温至400℃需2小时，自400℃升温至800℃需2小时，自800℃升温至1100℃需1小时；
最后，保压保温一段时间后，随炉冷却，完成结构件的扩散连接；
步骤六、取出完成扩散连接的蒙皮骨架结构件进行扩散连接强度检测、两侧蒙皮平面度检测及对称度检测。
2.根据权利要求1所述的一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，其特征在于：在蒙皮骨架结构件外侧和中部的筋条处分别设有用于强度测试和内部气体连通的通气孔。
3.根据权利要求1所述的一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，其特征在于：步骤四中，所述石墨限位工装需低于上蒙皮的上表面1mm。
4.根据权利要求1所述的一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，其特征在于：步骤五中，保温保压4小时后，停止施压，随炉冷却，完成结构件的扩散连接。
5.根据权利要求1所述的一种K417高温合金蒙皮骨架结构扩散连接工艺方法，其特征在于：步骤六中的扩散连接强度检测为：在气压内压1MPa作用下10min蒙皮骨架结构件无泄漏为合格。
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