CN114101830A - 一种dz40m钴基高温合金tlp焊接方法 - Google Patents

一种dz40m钴基高温合金tlp焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，涉及一种钴基高温合金TLP焊接方法。为了解决现有焊接工艺对钴基高温合金DZ40M焊接时存在可靠性差的问题。焊接方法：中间层粉末元素质量百分比为Co：5～15％、Cr：15～30％、W：4～15％、B：1～10％、Ni为余量，待焊的DZ40M钴基高温合金进行预处理，中间层粉末调成膏状中间层制成待焊DZ40M钴基高温合金，固定得到待焊的连接件进行焊接和时效处理。本发明提出一种DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，可以有效减少焊缝内气孔、裂纹和未焊合缺陷，为DZ40M钴基高温合金的连接和修复工作提供技术支持。本发明适用于DZ40M钴基高温合金TLP焊接。

Description

一种DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法
技术领域
本发明涉及一种钴基高温合金TLP焊接方法。
背景技术
钴基高温合金DZ40M较传统的X-40高温合金有更高的初熔温度、更好的高温强度、以及更好的抗氧化腐蚀性能，是一种用于航空发动机涡轮叶片及燃烧室的理想材料。
然而现有焊接工艺对钴基高温合金DZ40M焊接时存在可靠性差的问题：由于高温合金零件使用环境较为苛刻，传统的熔化焊，比如TIG焊，对叶片进行局部快速加热、快速冷却，导致这些对热裂纹较敏感的高温合金在焊后沿晶界开裂，形成微裂纹，对焊接质量造成严重影响，钎焊方法虽然可实现整体加热，避免了热应力的问题，但是由于所采用的钎料熔点较高，有时甚至高于合金熔点，容易导致叶片合金基体受损，连接的可靠性变差，难以满足使用要求。
发明内容
本发明为了解决现有焊接工艺对钴基高温合金DZ40M焊接时存在可靠性差的问题，提出一种DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，可以有效减少焊缝内气孔、裂纹和未焊合缺陷，为DZ40M钴基高温合金的连接和修复工作提供技术支持。
本发明DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法按照以下步骤进行：
步骤一、称取中间层粉末原料并混合，得到中间层粉末；
所述中间层粉末中各元素的质量百分比为：Co：5～15％、Cr：15～30％、W：4～15％、B：1～10％、Ni为余量；
中间层粉末一种全新的钎料，添加了钎料降熔元素B及耐高温元素W，由于B元素熔点较低，B的加入可以使得中间层在很低的温度便可以融化，因而降低了焊接温度。而W等元素的添加以及母材中Co元素向中间层处扩散，使得中间液相在保温阶段逐渐转变成高熔点的相，因此中间层在保温阶段就可以凝固，通过时效处理等手段可以获得均匀的耐高温接头，达到高温服役的要求，实现DZ40M高温合金低温连接与高温服役。接头具有出色的室温、高温抗拉强度及高温持久性能。使用该钎料的DZ40M高温合金接头重熔温度高于1100℃，接头高温抗拉强度达到母材87.1％，接头高温持久性能达到母材64.4％。
步骤二、将待焊的DZ40M钴基高温合金进行预处理，预处理包括切割、打磨和清洗，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金；
所述预处理工艺为：将待焊的DZ40M钴基高温合金切割成型，采用80～800目的金相砂纸打磨去除待焊面上的切割划痕，然后放入无水乙醇溶液中超声清洗5～20min，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金；
步骤三、利用粘结剂将步骤一得到的中间层粉末调成膏状中间层，均匀地铺展涂覆在待焊面，得到待焊DZ40M钴基高温合金；
所述中间层粉末与粘结剂质量比为：(8～12)：1；
所述膏状中间层涂覆的厚度为200～800μm；
所述粘结剂为硝酸纤维素与乙酸辛酯混合物；混合物中硝酸纤维素质量分数为5～50％；
步骤四、将两块待焊DZ40M钴基高温合金的膏状中间层的表面接触对齐，固定后得到待焊的连接件；
步骤五、将步骤四得到的待焊的连接件置入真空钎焊炉中，进行焊接，得到焊接连接后的连接件；
所述焊接工艺为：将钎焊炉抽真空至5×10-3Pa，以1～10℃/min的速率升温到1100～1200℃并保温50～150min，然后以1～5℃/min的速率降温到室温；
步骤六、对焊接连接后的连接件进行时效处理；
所述时效处理工艺参数为：在1100～1200℃下保温4～6h。
本发明原理及有益效果为：
本发明采用的瞬时液相扩散连接(TLP)综合了钎焊和扩散焊的优点，利用含有降熔元素的合金作为中间层，在较低的温度熔化成液相，随着中间层与母材之间的元素扩散，液相逐渐凝固成固态，并经过充分的保温，实现接头成分均匀化；使用TLP扩散连接法对DZ40M钴基高温合金零件进行整体加热，工艺简单，避免了熔焊由于热输入过大、熔化结晶而引起的成分偏析、裂纹等问题。同时可以通过控制工艺参数和焊后时效处理使得接头与母材实现均一化。相比于传统熔焊，本发明在真空环境连接，因而无气孔问题。此外，本发明通过加热温度和保温时间等工艺调控，可以实现接头等温凝固，消除脆性共晶组织，使接头组织更均匀，反应和扩散更加充分，因而可以避免裂纹和未焊合缺陷产生。
本发明实现了在真空环境下对DZ40M钴基高温合金的TLP连接，接头实现完全等温凝固，经过时效处理后，接头可实现均匀化，得到的焊接接头的抗拉强度可达到487MPa，保证了连接的可靠性。
附图说明
图1为实施例二得到的DZ40M钴基高温合金TLP焊接接头经时效处理后的SEM形貌图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法按照以下步骤进行：
步骤一、称取中间层粉末原料并混合，得到中间层粉末；
所述中间层粉末中各元素的质量百分比为：Co：5～15％、Cr：15～30％、W：4～15％、B：1～10％、Ni为余量；
步骤二、将待焊的DZ40M钴基高温合金进行预处理，预处理包括切割、打磨和清洗，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金；
步骤三、利用粘结剂将步骤一得到的中间层粉末调成膏状中间层，均匀地铺展涂覆在待焊面，得到待焊DZ40M钴基高温合金；
步骤四、将两块待焊DZ40M钴基高温合金的膏状中间层的表面接触对齐，固定后得到待焊的连接件；
步骤五、将步骤四得到的待焊的连接件置入真空钎焊炉中，进行焊接，得到焊接连接后的连接件；
步骤六、对焊接连接后的连接件进行时效处理。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式采用的瞬时液相扩散连接(TLP)综合了钎焊和扩散焊的优点，利用含有降熔元素的合金作为中间层，在较低的温度熔化成液相，随着中间层与母材之间的元素扩散，液相逐渐凝固成固态，并经过充分的保温，实现接头成分均匀化；使用TLP扩散连接法对DZ40M钴基高温合金零件进行整体加热，工艺简单，避免了熔焊由于热输入过大、熔化结晶而引起的成分偏析、裂纹等问题。同时可以通过控制工艺参数和焊后时效处理使得接头与母材实现均一化。相比于传统熔焊，本发明在真空环境连接，因而无气孔问题。此外，本实施方式通过加热温度和保温时间等工艺调控，可以实现接头等温凝固，消除脆性共晶组织，使接头组织更均匀，反应和扩散更加充分，因而可以避免裂纹和未焊合缺陷产生。
本实施方式实现了在真空环境下对DZ40M钴基高温合金的TLP连接，接头实现完全等温凝固，经过时效处理后，接头可实现均匀化，得到的焊接接头的抗拉强度可达到487MPa，保证了连接的可靠性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述中间层粉末中各元素的质量百分比为：Co：8～12％、Cr：20～28％、W：5～10％、B：2～5％、Ni为余量。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述预处理工艺为：将待焊的DZ40M钴基高温合金切割成型，采用80～800目的金相砂纸打磨去除待焊面上的切割划痕，然后放入无水乙醇溶液中超声清洗5～20min，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三所述中间层粉末与粘结剂质量比为：(8～12)：1。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三所述膏状中间层涂覆的厚度为200～800μm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三所述粘结剂为硝酸纤维素与乙酸辛酯混合物；混合物中硝酸纤维素质量分数为5～50％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五所述焊接工艺为：将钎焊炉抽真空至5×10-3Pa，以1～10℃/min的速率升温到1100～1200℃并保温50～150min，然后以1～5℃/min的速率降温到室温。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述焊接工艺为：将钎焊炉抽真空至5×10-3Pa，以3～7℃/min的速率升温到1140～1160℃并保温50～150min，然后以1～5℃/min的速率降温到室温。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六所述时效处理工艺参数为：在1100～1200℃下保温4～6h。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六所述时效处理工艺参数为：在1140～1160℃下保温4～6h。
实施例一：
本实施例DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法按以下步骤进行：
一、按如下质量百分比称取原料并均匀混合得到中间层粉末：Co：8％、Cr：20％、W：10％、B：4％、Ni为余量；
二、将待焊的DZ40M钴基高温合金切割成型，经80～800目的金相砂纸打磨至线切割加工划痕磨平，然后放入无水乙醇溶液中超声清洗10min，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金；
三、利用硝酸纤维素与乙酸辛酯的混合物作为粘结剂，并按照中间层粉末与粘结剂质量比为8：1将中间层粉末调成膏状，均匀地铺展涂覆在待焊面，厚度为400μm，得到待焊DZ40M钴基高温合金；硝酸纤维素与乙酸辛酯的混合物中硝酸纤维素质量分数为11.1％；
四、将两块待焊DZ40M钴基高温合金涂覆有膏状中间层粉末的表面接触对齐，卡具固定后得到待焊的连接件；
五、将步骤四得到的待焊的连接件置入真空钎焊炉中，抽真空至5×10-3Pa，开始加热以10℃/min的速率升温到1160℃，在该温度下保温60min，然后随炉冷却(速率为3℃/min)，得到焊接连接后的连接件；
六、对步骤五中得到的连接件进行时效处理，时效处理为在1120℃保温4h。
本实施例DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法通过合理选择中间层成分并对其相应的设计焊接工艺，接头实现完全等温凝固，界面中无裂纹等焊接缺陷，经过测试表明，实施例一所得到接头室温抗拉强度达到487Mpa。
本实施例得到的DZ40M高温合金接头重熔温度达到1100℃，接头高温抗拉强度达到母材87.1％；高温持久性能用高温持久强度表示，Co基定向凝固合金母材980℃高温持久性能为90MPa，焊后接头980℃持久强度为58MPa，接头高温持久性能达到母材64.4％。
实施例二：
本实施例DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法按以下步骤进行：
一、按如下质量百分比称取原料并均匀混合得到中间层粉末：Co：10％、Cr：25％、W：8％、B：4％、Ni为余量；
二、将待焊的DZ40M钴基高温合金切割成型，经80～800目的金相砂纸打磨至线切割加工划痕磨平，然后放入无水乙醇溶液中超声清洗10min，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金；
三、利用粘结剂将按照中间层粉末与粘结剂质量比为10：1将中间层粉末调成膏状，均匀地铺展涂覆在待焊面厚度为500μm，得到待焊DZ40M钴基高温合金；粘结剂为硝酸纤维素与乙酸辛酯的混合物，硝酸纤维素质量分数为9.1％；
四、将两块待焊DZ40M钴基高温合金涂覆有膏状中间层粉末的表面接触对齐，卡具固定后得到待焊的连接件；
五、将步骤四得到的待焊的连接件置入真空钎焊炉中，抽真空至5×10-3Pa，开始加热以10℃/min的速率升温到1160℃，在该温度下保温120min，然后随炉冷却(速率为3℃/min)，得到焊接连接后的连接件；
六、对步骤五中得到的连接件进行时效处理，时效处理为在1120℃保温5h。
本实施例DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法通过合理选择中间层成分并对其相应的设计焊接工艺，接头实现完全等温凝固，经过时效处理后，接头基本实现了均匀化，经过测试表明，实施例二所得到接头室温抗拉强度达到434Mpa。图1为实施例二得到的DZ40M钴基高温合金TLP焊接接头经时效处理后的SEM形貌图，图1能够说明看出界面没有脆性共晶组织，已经完成等温凝固，同时接头没有孔洞、裂纹等缺陷。

Claims (10)

1.一种DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法按照以下步骤进行：
步骤一、称取中间层粉末原料并混合，得到中间层粉末；
所述中间层粉末中各元素的质量百分比为：Co：5～15％、Cr：15～30％、W：4～15％、B：1～10％、Ni为余量；
步骤二、将待焊的DZ40M钴基高温合金进行预处理，预处理包括切割、打磨和清洗，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金；
步骤三、利用粘结剂将步骤一得到的中间层粉末调成膏状中间层，均匀地铺展涂覆在待焊面，得到待焊DZ40M钴基高温合金；
步骤四、将两块待焊DZ40M钴基高温合金的膏状中间层的表面接触对齐，固定后得到待焊的连接件；
步骤五、将步骤四得到的待焊的连接件置入真空钎焊炉中，进行焊接，得到焊接连接后的连接件；
步骤六、对焊接连接后的连接件进行时效处理。
2.根据权利要求1所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤一所述中间层粉末中各元素的质量百分比为：Co：8～12％、Cr：20～28％、W：5～10％、B：2～5％、Ni为余量。
3.根据权利要求1所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤二所述预处理工艺为：将待焊的DZ40M钴基高温合金切割成型，采用80～800目的金相砂纸打磨去除待焊面上的切割划痕，然后放入无水乙醇溶液中超声清洗5～20min，得到预处理后的DZ40M钴基高温合金。
4.根据权利要求1所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤三所述中间层粉末与粘结剂质量比为：(8～12)：1。
5.根据权利要求1所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤三所述膏状中间层涂覆的厚度为200～800μm。
6.根据权利要求1所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤三所述粘结剂为硝酸纤维素与乙酸辛酯混合物；混合物中硝酸纤维素质量分数为5～50％。
7.根据权利要求1所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤五所述焊接工艺为：将钎焊炉抽真空至5×10-3Pa，以1～10℃/min的速率升温到1100～1200℃并保温50～150min，然后以1～5℃/min的速率降温到室温。
8.根据权利要求7所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：所述焊接工艺为：将钎焊炉抽真空至5×10-3Pa，以3～7℃/min的速率升温到1140～1160℃并保温50～150min，然后以1～5℃/min的速率降温到室温。
9.根据权利要求1所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤六所述时效处理工艺参数为：在1100～1200℃下保温4～6h。
10.根据权利要求9所述的DZ40M钴基高温合金TLP焊接方法，其特征在于：步骤六所述时效处理工艺参数为：在1140～1160℃下保温4～6h。
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