CN115647651A - 用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料，按重量百分含量计，镍基合金粉末的化学成分为：铬8～10％，钴9～11％，铝4～5％，钨9～11％，钼0.5～2.5％，钛0.5～1％，铌8～10％，硅2～3％，硼0.1～0.4％，镍为余量。该钎料的制备方法包括：按照所述钎料化学成分加入原材料，采用真空感应炉熔炼并浇注合金锭；采用真空气体雾化方法将合金锭加工成镍基合金粉末状的钎料。该钎料选择镍作为粉末基体，通过提高硼和硅元素含量降低钎料熔点，同时较高的硅元素含量使得液态金属流动性增强，显著改善了钎料润湿性，强化钎料针对不同间隙裂纹的填缝能力；通过添加铬、钨、钴等合金强化元素，形成固溶强化相，钎料的焊后力学性能和高温抗氧化性能获得提升。
Description
技术领域
本发明属于钎焊材料技术领域，涉及用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料及其制备方法。
背景技术
航空发动机高压涡轮导向叶片材料采用Ni3Al基单晶合金，叶片单件采用精密铸造，各单件间采用钎焊方法连接。高压涡轮叶片工作时直接承受高温燃气的直接冲击，长时间承受反复热冲击导致叶片基体表面出现裂纹损伤，严重影响使用。在可修复的高压涡轮导向叶片中，裂纹损伤的发生率高达90.7％，严重影响了发动机的使用寿命和更换周期。
航空构件的表面裂纹可采用氩弧焊、电子束焊及钎焊等方法修复，但高压涡轮导向叶片结构复杂，熔焊方法存在不可达区域。且Ni3Al基单晶合金中Al、W、Ta等元素含量较高，熔焊方法也易导致次生裂纹及基体材料再结晶。针对高压涡轮导向叶片裂纹数量多、分布随机、尺寸形貌复杂的特点，采用真空钎焊方法修理裂纹具有极大的优势，既避免了修理过程中基体材料组织性能变化，又能有效提高修复效率。
高压涡轮导向叶片裂纹相较于一般钎焊接头，其表面状态不平整，且间隙尺寸不均匀，对使用的填充钎料的性能要求极高。若钎料成分设计不合理，不仅其与基体材料结合强度较低，还会形成气孔、溶蚀等焊接缺陷。此外，修理用钎料的钎焊温度若高于叶片制造用钎料，将导致钎焊修理过程中原始焊缝发生重熔，产生二次缺陷。目前用于Ni3Al基单晶合金焊接的钎料，不适用于高压涡轮导向叶片钎焊修理工艺。因此，亟需一种新型钎料，以解决叶片钎焊修理过程中存在的上述问题。
发明内容
为满足叶片裂纹的钎焊修理需求，解决目前使用的修理钎料存在的焊接温度高、结合强度低等问题，发明提供一种用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料及其制备方法。
本发明提供一种用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料，该钎料为镍基合金粉末，按重量百分含量计，镍基合金粉末的化学成分为：铬8～10％，钴9～11％，铝4～5％，钨9～11％，钼0.5～2.5％，钛0.5～1％，铌8～10％，硅2～3％，硼0.1～0.4％，镍为余量。
在本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料中，所述镍基合金粉末的粒度小于0.15mm。
在本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料中，该钎材适用于不大于0.3mm的多种焊接间隙，在1130～1200℃进行钎焊连接，保温时间为20～30min。
本发明还提供一种用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按照所述钎料化学成分加入原材料，采用真空感应炉熔炼并浇注合金锭；
步骤2：采用真空气体雾化方法将合金锭加工成镍基合金粉末状的钎料。
在本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法中，所述步骤1中将纯度大于99.99％的纯铬、纯钴、纯铝、纯钨、纯钼、纯钛、纯镍、纯铌、纯硅和镍-硼合金按比例混合熔炼成合金锭，其中镍-硼合金中硼为18.5wt.％。
在本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法中，所述镍基合金粉末的粒度小于0.15mm。
在本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法中，所述步骤1具体为：
在坩埚加入纯铬、纯钴、纯钨、纯钼、纯镍、纯铌、纯硅和镍-硼合金，在真空度小于1Pa后启动熔炼，升温至1500～1550℃熔炼，精炼5分钟后降温并加入纯钛和纯铝，送电搅拌后，温度降到1400～1450℃浇入壳内制成指定尺寸的合金锭。
在本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法中，所述步骤2具体为：
将合金锭装入真空感应气雾化设备，采用罗茨泵和扩散泵进行抽真空，待真空度达到1.0×10-1Pa以下后启动熔炼，熔炼至合金过热度100～200℃，充入惰性气体至大气压，开启尾排进行雾化喷粉，经筛分得到150μm以下的球形粉末。
本发明的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料及其制备方法，至少具有以下有益效果：
1、本发明的B-Ni52CrCoWNbSiB钎料考虑与Ni3Al基单晶合金的相容性，选择镍作为粉末基体，通过提高硼和硅元素含量降低钎料熔点，同时较高的硅元素含量使得液态金属流动性增强，显著改善了钎料润湿性，强化钎料针对不同间隙裂纹的填缝能力；通过添加铬、钨、钴等合金强化元素，形成固溶强化相，钎料的焊后力学性能和高温抗氧化性能获得提升。
2、本发明的B-Ni52CrCoWNbSiB钎料，适用于不大于0.3mm的多种尺寸裂纹钎焊，获得的钎焊接头拥有良好组织结构且力学性能满足使用要求。钎料与基体形成稳定结合界面，焊缝内无焊接缺陷及低熔点相。钎焊接头力学性能满足使用要求，室温抗拉强度达到母材的70％以上。
3、采用本发明的B-Ni52CrCoWNbSiB钎料进行修理时，钎焊温度较Ni3Al基单晶合金叶片制造用钎料低20℃以上，有效避免制造钎料重熔导致的基体溶蚀。
4、采用本发明的B-Ni52CrCoWNbSiB匹配工艺开展涡轮导向叶片的钎焊修理时，Ni3Al基单晶合金基体及制造阶段的焊接位置经热循环，其力学性能无明显衰减。
附图说明
图1为实施例的待钎焊装配件结构图；
图2为实施例1钎焊接头的微观组织形貌；
图3为实施例2钎焊接头的微观组织形貌；
图4为实施例3钎焊接头的微观组织形貌；
图5为实施例1、2、3钎焊接头室温抗拉强度与原始母材、钎焊热循环后母材的对比。
具体实施方式
本发明提供一种用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料，该钎料为镍基合金粉末，按重量百分含量计，镍基合金粉末的化学成分为：铬8～10％，钴9～11％，铝4～5％，钨9～11％，钼0.5～2.5％，钛0.5～1％，铌8～10％，硅2～3％，硼0.1～0.4％，镍为余量。
所述镍基合金粉末的粒度小于0.15mm。该钎材适用于不大于0.3mm的多种焊接间隙，在1130～1200℃进行钎焊连接，保温时间为20～30min。
本发明还提供一种用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按照如下钎料化学成分加入原材料，采用真空感应炉熔炼并浇注合金锭；
该钎料按重量百分含量计，化学成分为：铬8～10％，钴9～11％，铝4～5％，钨9～11％，钼0.5～2.5％，钛0.5～1％，铌8～10％，硅2～3％，硼0.1～0.4％，镍为余量。
具体实施时，所述步骤1中纯度大于99.99％的纯铬、纯钴、纯铝、纯钨、纯钼、纯钛、纯镍、纯铌、纯硅和镍-硼合金按比例混合熔炼成合金锭，其中镍-硼合金中硼为18.5wt.％。
所述步骤1具体为：
在坩埚加入纯铬、纯钴、纯钨、纯钼、纯镍、纯铌、纯硅和镍-硼合金，在真空度小于1Pa后启动熔炼，升温至1500～1550℃熔炼，精炼5分钟后降温并加入纯钛和纯铝，送电搅拌后，温度降到1400～1450℃浇入壳内制成指定尺寸的合金锭。
步骤2：采用真空气体雾化方法将合金锭加工成镍基合金粉末状的钎料，所述步骤2具体为：
将合金锭装入真空感应气雾化设备，采用罗茨泵和扩散泵进行抽真空，待真空度达到1.0×10-1Pa以下后启动熔炼，熔炼至合金过热度100～200℃，充入惰性气体至大气压，开启尾排进行雾化喷粉，经筛分得到150μm以下的球形粉末。最终制备的镍基合金粉末的粒度小于0.15mm。
下面通过三组实施例验证说明本申请的B-Ni52CrCoWNbSiB钎料的焊接效果。
以下实施例采用的新型B-Ni52CrCoWNbSiB钎料基体成分为镍，添加了硼、硅等降熔元素，钴、钨等强化元素，添加铬元素用于提高抗氧化。钎料主要化学成分为：铬9％，钴10％，铝4.5％，钨10％，钼1.5％，钛0.75％，铌9％，硅2.5％，硼0.25％，镍为余量。钎料制备方式：将纯度大于99.99％的纯镍、钴、铌、硅等和镍-硼合金(镍-硼合金中硼为18.5wt.％)按比例混合熔炼成合金锭，再采用真空气体雾化方法将合金锭加工成钎料粉末。
以下实施例采用的待焊接基体材料为Ni3Al基单晶合金IC10，主要化学成分为：铬6.5～7.5％，钴11.5～12.5％，铝5.6～6.2％，钨4.7～5.2％，钼1～2％，钽6.5～7.5％，铪1～2％，硼0.01～0.02％，镍为余量。热处理制度采用固溶+时效。
实施例1
本实施例为IC10单晶合金的钎焊，包括如下步骤：
步骤一：表面清理
如图1所示，将铸造IC10单晶合金圆棒加工成尺寸为(Φ10×31)mm的待焊试棒1、2；待焊试棒1、2的待焊端面边缘开宽度为1mm的坡口3；采用机械打磨方法去除试棒待焊表面的氧化层，装配前超声波清洗15min去除待焊试棒1、2表面的油污及其它杂质。
步骤二：焊前装配
采用工装将待焊试棒1、2沿轴向对齐，按图1所示将待焊端对接组合，待焊端面尺寸为Φ8，控制接头5的钎焊间隙为50μm；采用储能点焊方法，沿圆周约每120°采用高温合金片4进行固定，在接头5两侧基体上实施组件定位。
步骤三：预置钎料
取粒度为-150目的B-Ni52CrCoWNbSiB钎料，按照10：1的质量比例与粘结剂混合，调制成膏状；依图1所示，用涂敷器将膏状钎料6均匀涂敷于待焊组件周向坡口3位置，并留1～2处排气孔，膏状钎料用量为接头间隙容积的5倍；钎料涂敷完毕后，将待焊组件至于烘干箱内，温度180℃烘干2小时。
步骤四：真空钎焊
将完全烘干后的IC10单晶合金待焊组件置于真空炉内，并随炉放置IC10单晶合金母材试棒；以5℃/min速率升温，在钎焊温度1180℃下实施钎焊，保温时间为30min，钎焊保温结束后焊件随炉冷却至80℃以下出炉；真空炉的工作真空压力不大于3.4×10-2Pa。
实施结果：
对IC10单晶合金钎焊连接接头进行刨切并实施金相检查，图2是焊接后样品的微观组织，可见钎料与IC10单晶合金母材间形成良好结合界面，钎焊界面及钎缝内均未见缺陷和低熔点相。
将钎焊接头及随炉放置的IC10单晶合金母材试棒加工成标准拉伸试样，在室温下测试抗拉强度，结果如图5所示。
可得如下结论：1、钎焊接头性能良好，抗拉强度达到母材的79％；2、该钎焊热循环过程对IC10单晶合金母材力学性能无明显影响。
实施例2
本实施例为IC10单晶合金的钎焊，具体步骤与实施例1相同，区别在于：
步骤二中：控制接头5的钎焊间隙为100μm；步骤四中：在钎焊温度1200℃下实施钎焊。
实施结果：
对IC10单晶合金钎焊连接接头进行刨切并实施金相检查，图3是焊接后样品的微观组织，可见钎料与IC10单晶合金母材间形成良好结合界面，钎焊界面及钎缝内均未见缺陷和低熔点相。
将钎焊接头及随炉放置的IC10单晶合金母材试棒加工成标准拉伸试样，在室温下测试抗拉强度，结果如图5所示。可得如下结论：1、钎焊接头性能良好，抗拉强度达到母材的78％；2、该钎焊热循环过程对IC10单晶合金母材力学性能无明显影响。
实施例3
本实施例为IC10单晶合金的钎焊，具体步骤与实施例1相同，区别在于：
步骤二中：控制接头5的钎焊间隙为200μm；步骤四中：在钎焊温度1200℃下实施钎焊。
实施结果：
对IC10单晶合金钎焊连接接头进行刨切并实施金相检查，图4是焊接后样品的微观组织，可见钎料与IC10单晶合金母材间形成良好结合界面，钎焊界面及钎缝内均未见缺陷和低熔点相。
将钎焊接头及随炉放置的IC10单晶合金母材试棒加工成标准拉伸试样，在室温下测试抗拉强度，结果如图5所示。可得如下结论：1、钎焊接头性能良好，抗拉强度达到母材的73％；2、该钎焊热循环过程对IC10单晶合金母材力学性能无明显影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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 (8)
1.用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料，其特征在于，该钎料为镍基合金粉末，按重量百分含量计，镍基合金粉末的化学成分为：铬8～10％，钴9～11％，铝4～5％，钨9～11％，钼0.5～2.5％，钛0.5～1％，铌8～10％，硅2～3％，硼0.1～0.4％，镍为余量。
2.如权利要求1所述的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料，其特征在于，所述镍基合金粉末的粒度小于0.15mm。
3.如权利要求1所述的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料，其特征在于，该钎材适用于不大于0.3mm的多种焊接间隙，在1130～1200℃进行钎焊连接，保温时间为20～30min。
4.如权利要求1和2任一项所述的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：按照所述钎料化学成分加入原材料，采用真空感应炉熔炼并浇注合金锭；
步骤2：采用真空气体雾化方法将合金锭加工成镍基合金粉末状的钎料。
5.如权利要求4所述的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中将纯度大于99.99％的纯铬、纯钴、纯铝、纯钨、纯钼、纯钛、纯镍、纯铌、纯硅和镍-硼合金按比例混合熔炼成合金锭，其中镍-硼合金中硼为18.5wt.％。
6.如权利要求4所述的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法，其特征在于，所述镍基合金粉末的粒度小于0.15mm。
7.如权利要求4所述的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
在坩埚加入纯铬、纯钴、纯钨、纯钼、纯镍、纯铌、纯硅和镍-硼合金，在真空度小于1Pa后启动熔炼，升温至1500～1550℃熔炼，精炼5分钟后降温并加入纯钛和纯铝，送电搅拌后，温度降到1400～1450℃浇入壳内制成指定尺寸的合金锭。
8.如权利要求4所述的用于Ni3Al基单晶合金涡轮导向叶片修理的钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
将合金锭装入真空感应气雾化设备，采用罗茨泵和扩散泵进行抽真空，待真空度达到1.0×10-1Pa以下后启动熔炼，熔炼至合金过热度100～200℃，充入惰性气体至大气压，开启尾排进行雾化喷粉，经筛分得到150μm以下的球形粉末。
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