CN115446494A

CN115446494A - 一种高温合金钎焊连接用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料

Info

Publication number: CN115446494A
Application number: CN202211142803.1A
Authority: CN
Inventors: 任新宇; 潘晖; 尚泳来; 陈波; 李思思; 任海水; 程耀永; 熊华平
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2042-09-20
Also published as: CN115446494B

Abstract

本发明属于高温合金连接技术领域，涉及一种高温合金钎焊连接用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，高熵合金钎焊料的重量百分比成分为：Co 19.0～23.0，Cr 13.2～18.8，Nb 12.5～15.0，Ti 6.0～10.0，Al 2.6～6.2，Ni余量。本发明高熵合金钎焊料不包含Si、B等常规降熔元素，避免了接头中硅/硼化物等脆性相的生成，钎焊料合金熔点低于1200℃，可在与被焊高温合金母材热处理相匹配的温度下，实现单晶高温合金及其它高温合金的钎焊连接，获得具有优异高温性能的钎焊接头。采用本发明高熵合金钎焊料钎焊二代单晶DD5、DD6合金和三代单晶DD9合金，钎焊接头具有优异的高温强度。

Description

一种高温合金钎焊连接用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料

技术领域

本发明属于高温合金连接技术领域，具体涉及一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料。

背景技术

高温合金是目前国际上制造先进航空发动机叶片的主要材料，随着先进航空发动机涡轮进口温度的提高，对高温合金叶片的承温能力提出了更高的要求。叶片结构上采用气膜冷却的方法，在叶片内部设计出复杂的气流冷却通道，仅凭铸造技术不能完成叶片的完整制造。由于涡轮叶片工作环境恶劣，能否实现可靠焊接直接关系发动机性能指标能否实现，并关乎发动机的使用安全，因此，叶片焊接技术已成为先进航空发动机必需的关键制造技术之一。

由于材料的难焊接性及叶片结构的复杂性，钎焊是制造航空发动机高温合金涡轮叶片最适用的焊接技术之一，钎焊料的选择至关重要。目前，对于各类高温合金的钎焊，多采用镍基和钴基高温钎焊料，通过添加Si、B等元素降低熔点。但是，Si、B等元素的加入导致接头中大量硅化物和硼化物等脆性相的产生，大大削弱了接头性能，尤其是对高温服役性能，产生了极其不利的影响。而且对于单晶高温合金，原子半径较小的B元素极易扩散进入母材，导致近缝区再结晶的发生，对母材性能造成严重损害。因此，针对现有钎焊料存在的接头脆性难题，急需研发新型高温合金连接用无Si、B钎焊料。

高熵合金是由5种或5种以上，含量大体在5-35at.％的元素形成的合金。近年来研究发现，如果合金中元素数目较多，合金体系的混合熵比形成金属间化合物的熵变还要大时，高混合熵效应就会抑制脆性金属间化合物或其他复杂有序相出现，形成稳定的高熵固溶体相。

高熵合金独特的设计理念以及特殊的超级固溶体组织导致合金固溶强化效应和晶格畸变效应异常强烈，使这类合金具有高强度、高韧性和高的组织稳定性等传统合金无法比拟的优异性能。考虑到高熵合金所呈现出来的超级固溶体组织和高强韧性能优势，若将其设计理念用于钎焊领域，将大大降低接头脆性相生成倾向，提高接头性能。德国Lukas等人设计了CoCrCuFeNi五元高熵钎焊料，由于熔点过高(～1370℃)，导致焊接温度高于高温合金母材热处理温度，对待焊母材性能造成严重损伤，难以用于高温合金的钎焊。德国多特蒙德大学Tillmann等人设计了六元CoCrCuFeNiGa高熵钎焊料用于镍基高温合金Mar-M247的连接，但大量Cu、Ga元素的加入，使得接头难以获得满意的高温性能。

因此，如何在不添加Si、B等降熔元素的前提下，设计得到具有较低熔点的钎焊料合金，且能满足接头高温服役的要求，是航空发动机领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术缺陷而专门设计了一种高温合金钎焊连接用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，钎焊接头具有优异的力学性能。

本发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高温合金钎焊连接用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al2.6～6.2％，Ni余量。

优选的，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～21.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

优选的，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 21.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

优选的，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 22.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

优选的，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～8.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

优选的，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 8.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

优选的，钎焊料的形式是块状、带材、丝材或合金粉末。

优选的，钎焊连接温度为1220℃，保温时间为30min。

优选的，结合高熵合金理论和二元、三元合金相图计算和反复试验优化，获得具有合理Ni-Co-Cr-Nb-Ti-Al组分配比的钎焊料成分，熔化温度区间为1134～1155℃，可在1180～1220℃钎焊温度范围内进行连接。

优选的，所述钎焊料中采用特定含量的Ti、Nb元素来实现降熔，使得钎焊料在不含Si、B等常规降熔元素的情况下具有较低的熔化温度：低于1160℃

本发明的优点是：

1.本发明中所述钎焊料不含Si、B等常规降熔元素，避免了接头中硅化物和硼化物等脆性相的产生，有利于提高接头强度，并能解决单晶母材近缝区再结晶问题。

2.本发明中所述钎焊料中采用特定含量的Ti、Nb元素来实现降熔，使得钎焊料在不含Si、B等常规降熔元素的情况下具有较低的熔化温度(低于1160℃)。此外，Ti和Nb均属于高温合金常见合金化元素，高温合金中元素Ti的加入将提高γ’相的含量，Nb的加入有助于促进γ”相的生成，可提高合金力学性能。以变形高温合金GH4169为例，其主要特征就是高的Nb含量下的γ”析出相强化效应，使得其具有较高的强度。

3.本发明钎焊料结合高熵合金理论和二元、三元合金相图计算和反复试验优化，获得了具有合理Ni-Co-Cr-Nb-Ti-Al组分配比的钎焊料成分，熔化温度区间为1134～1155℃，可以在1180～1220℃钎焊温度范围内进行连接，推荐的钎焊连接温度为1200～1220℃，与常规铸造高温合金和单晶高温合金的热处理制度均匹配，焊后对母材组织性能无损伤，不需进行恢复性能热处理；而且，在钎焊连接温度为1200～1220℃条件下，以及被焊材料配合间隙为0.02～0.09mm时，焊缝能够实现一次焊成无需补焊，而且可以保证钎焊缝内部无溶蚀、未熔合、微裂纹等缺陷。

4.本发明中所述钎焊料合金自身属于高熵合金，具有较高的混合熵值和混合焓值，合金中呈现高熵固溶体的组织特征，显著抑制了化合物相的生成倾向，焊后获得的接头中可保留高熵固溶体相，使得接头具有优异的高温性能，采用本发明焊料获得的DD6单晶高温合金钎焊接头在980℃高温拉伸性能可达463MPa。

5.本发明钎焊料的铺展性能好，能在各类镍基/钴基高温合金表面良好润湿及铺展，且具有较好的塑性，能够加工成不同的钎焊料形式，如块状、带材、丝材或合金粉末，有利于焊前钎焊料的添加与装配，可用于各类高温合金的钎焊连接与钎焊修复。

6.本发明钎焊料绿色环保、不含有毒元素，不含Ag、Au、Pd、Pt等贵金属元素。

具体实施方式

现在详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

首先用金属原材料及一些中间合金按本发明的成分进行配料；其次采用镍基高温合金通用的冶炼方法冶炼钎焊料合金母合金；第三，采用高真空氩气雾化制粉设备制粉；或先用真空充氩快淬设备制取碎片、再机械破碎制取粉末。制取成分合格的钎焊料合金粉末后，可用于高温合金的钎焊连接。

采用本发明高熵合金钎焊料，钎焊二代单晶DD5、DD6合金和三代单晶DD9合金，并在焊后按母材热处理制度进行时效处理，钎焊接头具有优异的高温强度。采用本发明高熵合金钎焊料还实现了对K403、K417G、K465等多个牌号铸造高温合金的高质量连接。

实施例一：

先采用真空感应熔炼方法制取母合金，然后采用高真空氩气雾化方法制粉，制成高熵合金钎焊料粉末，成分为(wt％)：Co 21，Cr 14.8，Nb 13.2，Ti 8.5，Al 4.8，Ni余量。对应的典型热力学参数，即混合熵ΔS_mix＝13.68KJ/mol。典型高熵合金判据：混合熵值大于12KJ/mol。

采用该高熵合金钎焊料在1220℃/30min规范下钎焊二代单晶DD6合金，所获得的DD6单晶钎焊接头高温拉伸测试结果如下表：

实施例二：

先采用真空感应熔炼方法制取母合金，然后采用高真空氩气雾化方法制粉，制成高熵合金钎焊料粉末，成分为(wt％)：Co 21.5，Cr 15.2，Nb 12.2，Ti 6.8，Al 4.8，Ni余量。对应的典型热力学参数，即混合熵ΔS_mix＝13.41KJ/mol。典型高熵合金判据：混合熵值大于12KJ/mol。

实施例三：

先采用真空感应熔炼方法制取母合金，然后采用高真空氩气雾化方法制粉，制成高熵合金钎焊料粉末，成分为(wt％)：Co 23.0，Cr 16.8，Nb 13.5，Ti 8.0，Al 3.6，Ni余量。对应的典型热力学参数，即混合熵ΔS_mix＝13.58KJ/mol。典型高熵合金判据：混合熵值大于12KJ/mol。

采用该高熵合金钎焊料在1215℃/15min规范下钎焊K417G高温合金，所获得的钎焊接头高温拉伸测试结果如下表：

虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种高温合金钎焊连接用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

2.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～21.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

3.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 21.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

4.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 22.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

5.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb 12.5～15.0％，Ti 6.0～8.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

6.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于在于，所述钎焊料合金成分的重量百分比为：Co 19.0～23.0％，Cr 13.2～18.8％，Nb12.5～15.0％，Ti 8.0～10.0％，Al 2.6～6.2％，Ni余量。

7.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于：所述钎焊料的形式是块状、带材、丝材或合金粉末。

8.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，所述钎焊连接温度为1180～1220℃，保温时间为10-60min。

9.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，所述钎焊料的熔化温度区间为1134～1155℃，在1180～1220℃钎焊温度范围内进行连接。

10.根据权利要求1所述的一种高温合金钎焊用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料，其特征在于，所述钎焊料中采用特定含量的Ti、Nb元素来实现降熔，使得钎焊料在无Si、B等常规降熔元素的情况下具有较低的熔化温度：低于1160℃。