CN111215787B - 一种高温合金连接用镍基箔带钎料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温合金连接用镍基箔带钎料及其制备方法和应用，属于高温合金钎焊材料技术领域。该钎料化学成分(wt.％)：Cr 7.0～20.0％，Co 6.0～18.0％，W 2.0～10.0％，Al 0.5～6.5％，Mo 0.5～8.5％，Ti 0～7.0％，Si 0～7.0％，B 0～4.5％，Fe 0～5.5％，Ni为余量。该箔带钎料采用熔体快淬法制备，用于高温合金钎焊或TLP连接。加热温度为1170～1290℃，保温时间时间为10～300分钟。本发明解决了高温合金的高性能连接问题，具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金连接技术领域，具体涉及一种高温合金连接用镍基箔带钎料及其制备方法和应用，该钎料合金适用于高温合金的真空钎焊。
背景技术
高温合金是指能在600℃以上高温环境下承受较大复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基、镍基或钴基奥氏体金属材料，近几十年来广泛应用于各种工业燃气轮机与航空发动机的热端零部件中。但是，因涡轮工作叶片、导向叶片等零部件在设计上通常采用复杂的内部冷却结构，仅依靠精密铸造技术较难实现其最终结构，故需要以可靠的连接技术对分体铸造的复杂叶片和零部件进行高性能连接。
近几年由于叶片材料频繁更新和叶片使役环境愈发苛刻，现有的高温钎焊材料已较难满足其使用需求，故急需研发工艺性良好，高温力学性能优良的新型高温合金钎焊材料，以解决镍基和钴基高温合金的高性能连接问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温合金连接用镍基箔带钎料及其制备方法和应用，所制备的箔带钎料可有效解决在苛刻环境工作的高温合金零部件的连接问题，具有重要的应用价值。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高温合金连接用镍基箔带钎料，该钎料为箔带状镍基合金；按重量百分含量计，该钎料的化学成分为：Cr 7.0～20.0％，Co 6.0～18.0％，W2.0～10.0％，Al 0.5～6.5％，Mo 0.5～8.5％，Ti 0～7.0％，Si 0～7.0％，B 0～4.5％，Fe 0～5.5％，Ni为余量；
该镍基箔带钎料化学成分中，Ti优选为0.1～3.5wt.％，Si优选为1.0～3.5wt.％，B优选为0.5～2.5wt.％，Fe优选为0～2.0％。
所述镍基箔带钎料宽度为7～20mm，厚度为0.02～0.06mm。
所述镍基箔带钎料的制备过程包括如下步骤：
(1)按照所述钎料的化学成分配料，并采用真空感应炉熔炼出钎料的母合金锭，熔炼工艺为：精炼温度1410～1490℃，精炼时间20～25分钟，使用钢锭模浇注合金锭，并对合金表面进行吹砂清理。
(2)通过熔体快淬法将母合金锭制备成所需规格的箔带，所述熔体快淬法的工艺参数为：铜辊转速20～30m/s，喷射压力25～40kPa，熔体温度1400℃～1480℃；将所制备的箔带收集起来，即为所述镍基箔带钎料。
所述镍基箔带钎料应用于镍基或钴基高温合金材料的钎焊或TLP连接。焊接过程中，将箔带点焊定位于工件表面后，将工件放置于真空钎焊炉内进行钎焊，钎焊时间为10～300分钟，炉内真空度不低于5×10-2Pa。钎焊连接后，接头在980℃/100MPa条件下的持久寿命不低于100h。
本发明设计思想及原理如下：
为解决高温合金接头越来越高的使用温度和性能要求，本发明制备的钎料以镍为基体，通过加入硼和硅降低钎料熔点并提高钎料流动性，加入铝、钛元素进行γ′强化，加入钨、铬、钴、钼、铁等元素对焊缝基体进行固溶强化，从而全面提高接头的高温力学性能。
本发明的有益效果是：
采用本发明焊接材料及焊接工艺，所得焊接接头基体为镍基奥氏体，基体中固溶了钴、铬、钨、钼、铁等合金元素，部分钨、铬、钼元素以硼化物的形式分布在基体中，接头内均匀析出细小的γ′强化相。钎料的钎焊温度范围广、对基体材料溶蚀小，焊接接头的力学性能明显高于采用传统钎料的钎焊接头，与传统高温钎焊材料相比，本发明的钎焊材料同时适用于镍基和钴基高温合金的钎焊，应用范围更广泛。
附图说明
图1为镍基箔带的外观形貌。
图2为实施例1中镍基箔带的DTA曲线。
图3为实施例1采用镍基箔带钎料钎焊DD405合金的接头显微组织。
图4为实施例1采用镍基箔带钎料钎焊DD405合金的接头持久寿命。
图5为实施例2采用镍基箔带钎料钎焊DZ40M合金的接头显微组织。
图6为实施例2采用镍基箔带钎料钎焊DZ40M合金的接头持久寿命。
图7为实施例3采用镍基箔带钎料钎焊CMSX-4合金的接头显微组织。
图8为实施例3采用镍基箔带钎料钎焊CMSX-4合金的接头持久寿命。
图9为对比例1采用镍基箔带钎料钎焊DD405合金的接头显微组织。
图10为对比例1采用镍基箔带钎料钎焊DD405合金的接头持久寿命。
图11为对比例2采用镍基箔带钎料钎焊DD406合金的接头显微组织。
图12为对比例2采用镍基箔带钎料钎焊DD406合金的接头持久寿命。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
以下实施例中，通过熔体快淬法将母合金锭制备成镍基箔带钎料，熔体快淬法的工艺参数为：铜辊转速26m/s，喷射压力35kPa，熔体温度1450～1480℃。
实施例1
本实施例待焊母材为镍基高温合金DD405，该合金化学成分为(wt.％)：
Ni-7.5Co-7Cr-5W-6.5Ta-6Al-6.5Ta-3Re-0.15Hf-1.5Mo。
钎料成分为(wt.％)：
Ni-7Co-10Cr-4Al-3Ti-8W-3Mo-0.3Fe-1Si-1B。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：精炼温度1480℃，精炼时间25分钟；之后将熔炼好的合金采用熔体快淬法制备成箔带，制备工艺为：铜辊转速26m/s，喷射压力35kPa，熔体温度1480℃。所制备的镍基箔带钎料的形貌如图1所示，其为带状，表面呈现金属光泽。本实施例中箔带的DTA曲线如图2。
焊接前，将镍基高温合金DD405加工成
的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用储能点焊机将箔带固定于母材之间，将样品放入真空钎焊炉中进行焊接，加热温度为1280℃，保温时间为200min，炉内真空度不低于5×10-2Pa，焊后炉冷至室温，并进行标准时效处理。
图3是样品钎焊接头的显微组织，图4为连接后样品持久性能测试结果。
实施例2
本实施例待焊母材为钴基高温合金DZ40M，该合金化学成分为(wt.％)：
Co-11Ni-25Cr-7.5W-0.4Ta-1Al-0.2Ti-0.5C-0.2Ti-0.4Mo。
钎料化学成分为(wt.％)：
Ni-16Co-16Cr-3Al-2Ti-8W-5Mo-0.8Fe-3Si-1.5B。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：精炼温度1460℃，精炼时间25分钟；之后将熔炼好的合金采用熔体快淬法制备成箔带，制备工艺为：铜辊转速26m/s，喷射压力35kPa，熔体温度1465℃。所制备的镍基箔带钎料为带状，表面呈现金属光泽。
焊接前，将钴基高温合金DZ40M加工成
的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用储能点焊机将箔带固定于母材之间，将样品放入真空钎焊炉中进行焊接，加热温度为1220℃，保温时间为15min，炉内真空度不低于5×10-2Pa，焊后炉冷至室温。
图5是样品钎焊接头的显微组织，图6为连接后样品持久性能测试结果。
实施例3
本实施例待焊母材为镍基高温合金CMSX-4，该合金化学成分为(wt.％)：
Ni-9.5Co-6.5Cr-6.5W-6.5Ta-5.5Al-3Re-1Ti-0.6Mo。
钎料化学成分为(wt.％)：
Ni-6Co-13Cr-2Al-1Ti-4W-4Mo-2Fe-4Si-2B。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：精炼温度1420℃，精炼时间20分钟；之后将熔炼好的合金采用熔体快淬法制备成箔带，制备工艺为：铜辊转速26m/s，喷射压力35kPa，熔体温度1440℃。所制备的镍基箔带钎料为带状，表面呈现金属光泽。
焊接前，将固溶态镍基高温合金CMSX-4加工成
的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用储能点焊机将箔带固定于母材之间，将样品放入真空钎焊炉中进行焊接，加热温度为1180℃，保温时间为60min，炉内真空度不低于5×10-2Pa，焊后气淬至室温，并进行标准时效处理。
图7是样品钎焊接头的显微组织，图8为连接后样品持久性能测试结果。
对比例1
本例待焊母材为镍基高温合金DD405，该合金化学成分为(wt.％)：
Ni-9Co-6.5Cr-6W-6.5Ta-5.6Al-3Re-1Ti-0.6Mo。
钎料成分为(wt.％)：
Ni-6Co-10Cr-4Al-3Ti-1W-3Mo-1Fe-1.5Si-1.8B。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：精炼温度1460℃，精炼时间20分钟；之后将熔炼好的合金采用熔体快淬法制备成箔带，制备工艺为：铜辊转速26m/s，喷射压力35kPa，熔体温度1460℃。所制备的镍基箔带钎料为带状，表面呈现金属光泽。
焊接前，将镍基高温合金DD405加工成
的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用储能点焊机将箔带固定于母材之间，将样品放入真空钎焊炉中进行焊接，加热温度为1210℃，保温时间为5min，炉内真空度不低于5×10-2Pa，焊后炉冷至室温，并进行标准时效处理。
图9是样品钎焊接头的显微组织，图10为连接后样品持久性能测试结果。
对比例2
本例待焊母材为镍基高温合金DD406，该合金化学成分为(wt.％)：Ni-9Co-4Cr-8W-6.5Ta-6Al-2Re-2Mo-1Nb。
钎料成分为(wt.％)：
Ni-8Co-10Cr-6Al-8Ti-5W-3Mo-1Fe-3Si-1B。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：精炼温度1470℃，精炼时间20分钟；之后将熔炼好的合金采用熔体快淬法制备成箔带，制备工艺为：铜辊转速26m/s，喷射压力35kPa，熔体温度1470℃。所制备的镍基箔带钎料为带状，表面呈现金属光泽。
焊接前，将镍基高温合金DD406加工成
的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用储能点焊机将箔带固定于母材之间，将样品放入真空钎焊炉中进行焊接，加热温度为1220℃，保温时间为25min，炉内真空度不低于5×10-2Pa，焊后炉冷至室温，并进行标准时效处理。
图11是样品钎焊接头的显微组织，图12为连接后样品持久性能测试结果。
由上述实施例1-3中样品钎焊接头的显微组织图可以看出，基体中组织均匀致密，未见明显焊接缺陷，接头中可见硼化物析出。由上述实施例1-3中连接后样品持久性能测试结果可以看出，连接后焊接接头的力学性能较高，980℃/100MPa条件下的持久寿命均不低于100h，这说明与传统高温钎料相比，本发明的钎料高温力学性能更加优异。
由上述对比例1-2中样品钎焊接头的显微组织图中可以看出，相较于实施例1-3，其钎焊接头中局部存在焊接缺陷，这将会导致接头的高温性能降低。由对比例1-2中连接后样品持久性能测试结果可以看出，连接后焊接接头在980℃/100MPa条件下的持久寿命不足100h，这说明钎料成分超出本发明限定的钎料成分限范围或钎焊工艺超出本发明钎料规定钎焊保温时间范围，都无法满足接头的持久寿命要求。
Claims (8)
1.一种高温合金连接用镍基箔带钎料，其特征在于：该钎料为箔带状镍基合金；按重量百分含量计，该钎料的化学成分如下：
Cr 10.0~20.0%，Co 6.0~18.0%，W 2.0~10.0%，Al 0.5~6.5%，Mo 3.0~8.5%，Ti 0.1~7.0%，Si 1.0~7.0%，B 0.5~4.0%，Fe 0.3~5.5%，Ni为余量。
2.根据权利要求1所述的高温合金连接用镍基箔带钎料，其特征在于：该镍基箔带钎料化学成分中：Ti为0.1~3.5wt.%，Si为1.0~3.5wt.%，B为0.5~2.5wt.%，Fe为0.3~2.0%。
3.根据权利要求1或2所述的高温合金连接用镍基箔带钎料，其特征在于：所述镍基箔带钎料宽度为7~20mm，厚度为0.02~0.06mm。
4.根据权利要求1所述的高温合金连接用镍基箔带钎料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）按照所述钎料的成分配料，采用真空感应炉熔炼出钎料的母合金锭；
（2）通过熔体快淬法将母合金锭制备成所需规格的箔带，所述熔体快淬法的工艺参数为：铜辊转速20~30m/s，喷射压力25~40kPa，熔体温度1400℃~1480℃；所制备的箔带即为所述镍基箔带钎料。
5.根据权利要求4所述的高温合金连接用镍基箔带钎料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述熔炼过程中：合金熔体精炼温度1410~1490℃，精炼时间20~25分钟；使用钢锭模浇注合金锭，并对合金表面进行吹砂清理。
6.根据权利要求1所述的高温合金连接用镍基箔带钎料的应用，其特征在于：所述箔带钎料应用于镍基或钴基高温合金材料的钎焊或TLP连接，加热温度为1170~1290℃。
7.根据权利要求6所述的高温合金连接用镍基箔带钎料的应用，其特征在于：所述钎焊连接过程中，将箔带点焊定位于工件表面后，将工件放置于真空钎焊炉内进行钎焊，钎焊时间为10~300分钟，炉内真空度不低于5×10-2 Pa。
8.根据权利要求7所述的高温合金连接用镍基箔带钎料的应用，其特征在于：所述钎焊连接后，接头在980℃和100MPa条件下的持久寿命不低于100h。
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