CN117283245A - 一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，包括如下步骤：步骤1，制备难熔金属板坯：设计成多层难熔金属板坯的组合；步骤2，板坯叠加：在所述难熔金属板坯叠加后的对应位置打定位孔，将多层所述难熔金属板坯清洗干净后叠加在一起；步骤3，扩散焊接：将装配件进行扩散焊接；步骤4，焊接质量检测：对焊接件进行无损超声检测以及打压测试；步骤5，焊接件加工：向焊接件的内部流道灌装石蜡，然后将焊接件加工至难熔金属部件的外部轮廓；步骤6，加工件后处理。该制备方法适用于同/异材质间扩散连接，适合批量工业化生产。本发明设计合理、使用效果好，通过此发明可以实现具有内部复杂精密流道结构的难熔金属部件的制备。
Description
技术领域
本发明涉及难熔金属复杂部件制造技术领域，特别涉及一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法。
背景技术
随着高温应用领域朝着更高服役温度、更精确的控制精度的方向发展，原有采用精密铸造或3D打印复杂腔体结构高温合金材质的零部件，已不能满足应用要求。钨钼铼等难熔金属材料已成为更高服役温度的优选材料，但目前3D打印难熔金属材料还存在着裂纹、气密性差、强度低等问题，现阶段还不能满足工程化应用需求。
零部件流道的尺寸精度和表面质量有较高的要求，其内部的局部结构精细，局部尺寸为0.5±0.01mm，表面粗糙度为Ra1.6，较大的制造误差将会对零部件结构造成较大干扰，导致应用性能下降或者根本无法使用。常规的机械加工方法因可达性和精度等问题根本无法满足其加工需求。
扩散焊是指在一定的温度和压力下，被连接表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形或被连接表面产生微观液相，从而扩大被连接表面接触，结合层原子间经过一定时间的相互扩散，实现整体可靠连接的过程。由于扩散焊接前，复杂构件通道已经过机加工完成，对于流道加工精度可以精确控制，因此，从工艺角度，扩散焊接是实现含有内部复杂流道难熔金属部件设计的最优方法。常规的扩散焊接主要有热压扩散焊、热等静压扩散焊、SPS扩散焊接等，但热等静压扩散焊接需要制作包套，对焊接面抽真空，其工艺复杂，包套容易漏气，成功率不高，且流道变形大，尤其不适合用于薄壁流道结构的焊接；SPS扩散焊受制于设备和工艺的限制，只适用于一些小尺寸简单形状材料的焊接。
鉴于上述原因，需要一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，通过该制备方法可以实现具有内部复杂精密流道结构的难熔金属部件的制备。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，所述制备方法包括如下具体步骤：
步骤1，制备难熔金属板坯：将难熔金属部件设计成多层难熔金属板坯的组合；
步骤2，板坯叠加：在每层所述难熔金属板坯叠加后的对应位置打定位孔，按照设计的顺序将多层所述难熔金属板坯清洗干净后叠加在一起，在所述定位孔内设置定位销进行定位，得到装配件；
步骤3，扩散焊接：将装配件进行扩散焊接，得到焊接件；
步骤4，焊接质量检测：对焊接件进行无损超声检测以及打压测试；
步骤5，焊接件加工：向焊接件的内部流道灌装石蜡，然后将焊接件加工至难熔金属部件的外部轮廓，得到加工件；
步骤6，加工件后处理：所述加工件依次经过脱蜡、清洗、检验合格后得难熔金属部件。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤1中，根据成品实际尺寸要求设计每层所述难熔金属板坯的加工图纸，按图纸制备所述难熔金属板坯，所述难熔金属板坯的外形轮廓尺寸按照难熔金属部件的最大外形尺寸设计，所述图纸需确保所述难熔金属板坯经过所述步骤2至所述步骤6后满足内部复杂流道及外形轮廓的要求。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤3中，将叠加后的多层所述难熔金属板坯置于真空扩散焊接炉中进行扩散焊接。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤6中，将加工件置于烘箱中进行脱蜡。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤1中，所有所述难熔金属板坯的焊接表面的光洁度≤Ra0.4，所述难熔金属板坯上的对应所述内部流道位置处的尺寸精度符合难熔金属部件要求。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤2中，所述难熔金属板坯具有所述定位孔的位置处在成品加工时可以去除，所述定位孔的个数为2～3个，所述定位孔在所述难熔金属板坯的平面对角线上或者成品字形分布，所述定位孔的直径为2mm～3mm，所述定位销与所述定位孔之间的配合过盈量为0～0.015mm。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，所述定位销的材质与所述难熔金属板坯的材质保持一致，或者所述定位销的材质的熔点高于焊接温度，所述定位销的高度比所有所述难熔金属板坯叠加的组合厚度低0.2mm～0.5mm。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤3中，扩散焊接的温度为1500℃～1800℃，焊接压力为15MPa～25MPa，保温时间为0.5h～2h，工作真空度≤5×10-2MPa。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤4中，无损超声检测采用水浸超声波探伤，打压测试的压力为0.5MPa～1.0MPa，保压时间为0.5h～1h。
进一步地，在上述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法中，在所述步骤6中，脱蜡的温度≥150℃，确保内部流道中灌装的石蜡脱除干净。
分析可知，本发明公开一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，该制备方法适用于同/异材质间扩散连接，适合批量工业化生产。本发明设计合理、使用效果好，通过此发明可以实现具有内部复杂精密流道结构的难熔金属部件的制备。与现有技术相比，本发明解决了目前的机械加工无法实现复杂流道的整体加工问题，精密铸造、3D打印等方法无法实现难熔金属工程化应用问题，热等静压扩散焊效率低、工艺复杂、流道变形和不适用于薄壁流道结构等问题，以及SPS扩散焊接件尺寸问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书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。其中：
图1为本发明实施例一的难熔金属板坯叠加扩散焊接结构示意图。
图2为本发明实施例一的难熔金属板坯焊接界面SEM图像。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
如图1至图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，制备方法包括如下具体步骤：
步骤1，制备难熔金属板坯：将难熔金属部件设计成多层难熔金属板坯的组合，根据成品实际尺寸要求设计每层难熔金属板坯的加工图纸，按图纸制备难熔金属板坯。难熔金属板坯的外形轮廓尺寸按照难熔金属部件的最大外形尺寸设计，图纸需确保难熔金属板坯经过步骤2至步骤6后满足难熔金属部件的内部复杂流道及外形轮廓的要求。所有难熔金属板坯的焊接表面的光洁度≤Ra0.4，如此设置能够扩大难熔金属板坯之间的接触面积，保证对难熔金属板坯进行扩散焊接满足设计要求，提高产品的合格率。难熔金属板坯上对应的内部流道位置处的尺寸精度符合难熔金属部件要求。难熔金属板坯在进行扩散焊接前，其内部的复杂流道按照设计图纸进行机加工，能够对难熔金属部件内部的复杂流道的加工精度进行精确控制，保证产品满足设计要求。步骤2，板坯叠加：在每层难熔金属板坯叠加后的对应位置打定位孔，难熔金属板坯具有定位孔的位置处在成品加工时可以去除。按照设计的顺序将多层难熔金属板坯清洗干净后叠加在一起，并在定位孔内设置定位销进行定位，得到装配件。定位孔的个数为2～3个，如此设置能够保证多层难熔金属板坯叠加在一起后定位准确，确保多层难熔金属板坯之间不会发生相对移动，进而使产品满足难熔金属部件内部的复杂精密流道满足设计要求，定位孔在难熔金属板坯的平面对角线上或者成品字形分布，定位孔的直径为2mm～3mm，定位销与定位孔之间为过渡配合，定位销与定位孔之间的配合过盈量为0～0.015mm。定位销的材质与难熔金属板坯的材质保持一致，或者定位销的材质的熔点高于焊接温度，定位销的高度比所有难熔金属板坯叠加的组合厚度低0.2～0.5mm。
步骤3，扩散焊接：将装配件置于真空扩散焊接炉中进行扩散焊接，得到焊接件。扩散焊接的温度依据焊接母材的熔点而定，一般按照0.6Tm～0.8Tm(Tm为母材最低熔点)原则选择，因此，扩散焊接的温度设置为1500℃～1800℃(比如：1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃)，焊接压力为15MPa～25MPa(比如：15MPa、16MPa、17MPa、18MPa、19MPa、20MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa)，保温时间为0.5h～2h(比如：0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1.0h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h、2.0h)，工作真空度≤5×10-2MPa。焊接压力和保温时间依据装备能力和前期经验而定。一般来说扩散焊接的温度越高、焊接压力越大，扩散速度越快，但温度过高容易造成母材晶粒长大，性能恶化，所以将扩散焊接的温度设置为1500℃～1800℃。
步骤4，焊接质量检测：对焊接件进行无损超声检测以及打压测试。无损超声检测采用水浸超声波探伤，打压测试的压力为0.5MPa～1.0MPa(比如：0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa)，保压时间为0.5h～1h(比如：0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1.0h)。焊接件经过无损超声检测并在上述参数下进行打压测试，保证最终的产品的内部流道满足设计要求，提高产品的合格率。
步骤5，焊接件加工：向焊接件的内部流道灌装石蜡，然后将焊接件加工至难熔金属部件的外部轮廓，将焊接件的外部轮廓按图纸进行加工，得到加工件。在对焊接件的外部轮廓进行加工前向焊接件的内部流道灌装石蜡，能够有效防止加工过程中加工碎屑堵塞内部流道。
步骤6，加工件后处理：加工件依次经过脱蜡、清洗、检验合格后得难熔金属部件。将加工件置于烘箱中进行脱蜡。脱蜡的温度≥150℃，确保内部流道中灌装的石蜡脱除干净。
实施例1
一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，产品的材质为MHC钼合金，包括如下步骤：
步骤1，制备板坯：根据产品实际形状和服役环境需求，将产品分成11层板坯组合而成，根据产品实际内部尺寸要求，设计出每层板坯的加工图纸。板坯的外形尺寸按照产品最大外形尺寸设计。按照设计出的分解图纸对板坯进行机加工，焊接平面光洁度控制在Ra0.4以内，分解示意图如图1所示。
步骤2，板坯叠加：在每层板坯叠加后的对应位置打定位孔，定位孔的直径为Φ2mm，定位孔沿板坯平面对角线设置2个，定位销材质与产品的材质一致，定位销与定位孔的配合过盈量为0.005mm，定位销的高度比板坯叠加的总厚度小0.2mm。将加工件清洗干净后，按照设计要求进行叠加装配一起，采用定位销定位，确保层板之间不会发生相对移动。
步骤3，扩散焊接：将装配件置于真空热压扩散焊接炉中进行焊接，焊接压力为20MPa，焊接温度为1550℃，保温时间为0.5h，焊接真空度≤5×10-2Pa。
步骤4，焊接质量检测：焊接件出炉后，进行无损检测，未发现存在未焊合区域，然后进行打压测试，打压测试的压力为0.8MPa、保压时间为0.5h。保压测试后，未发现焊接区域存在漏气等情况。
步骤5，焊接件加工：将焊接件进行灌蜡处理，防止加工过程中加工碎屑堵塞内部流道，然后按照图纸将产品外形轮廓进行加工。
步骤6，加工件后处理：加工件依次经过脱蜡、清洗、检验合格得到产品，脱蜡的温度为150℃。
本实施例所制备的部件的界面结合SEM照片如附图2所示，层板之间形成了有效的冶金结合，不存在未焊合区域，层板之间结合强度可以达到母材强度的80％以上。
实施例2
一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，产品的材质为WRe25合金，包括如下步骤：
步骤1，制备板坯：根据产品实际形状和服役环境需求，将产品分成7层板坯组合而成，根据产品实际内部尺寸要求，设计出每层板坯的加工图纸。板材的外形尺寸按照产品最大外形尺寸设计，按照设计出的分解图纸对板坯进行机加工，焊接平面光洁度控制在Ra0.4以内。
步骤2，板坯叠加：在每层板坯叠加后的对应位置打定位孔，定位孔的直径为Φ2.5mm，定位孔按照品字形在板坯平面上设置3个，定位销材质选用纯钨，定位销与定位孔的配合过盈量为0.01mm，定位销的高度比板坯叠加的总厚度小0.3mm。将加工件清洗干净后，按照设计要求进行叠加装配一起，采用定位销定位，确保层板之间不会发生相对移动。
步骤3，扩散焊接：将装配件置于真空热压扩散焊接炉中进行焊接，焊接压力为25MPa，焊接温度为1800℃，保温时间为1.5h，焊接真空度≤5×10-2Pa。
步骤4，焊接质量检测：焊接件出炉后，进行无损检测，未发现存在未焊合区域，然后经过1MPa、1h保压测试后，未发现焊接区域存在漏气等情况。
步骤5，焊接件加工：将焊接件进行灌蜡处理，防止加工过程中加工碎屑堵塞内部流道，然后按照图纸将产品外形轮廓加工。
步骤6，加工件后处理：加工件依次经过脱蜡、清洗、检验合格得到产品，脱蜡的温度为160℃。
实施例3
一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，产品的材质为Ta10W合金，包括如下步骤：
步骤1，制备板坯：根据产品实际形状和服役环境需求，将产品分成5层板坯组合而成，根据产品实际内部尺寸要求，设计出每层板的加工图纸。板材的外形尺寸按照产品最大外形尺寸设计。按照设计出的分解图纸对板坯进行机加工，焊接平面光洁度控制在Ra0.4以内。
步骤2，板坯叠加：在每层板坯叠加后的对应位置打定位孔，定位孔的直径为Φ2mm，定位孔按照品字形在板坯平面上设置3个，定位销材质与产品的材质一致，定位销与定位孔的配合过盈量为0.013mm，定位销的高度比板材叠加总厚度小0.5mm。将加工件清洗干净后，按照设计要求进行叠加装配一起，采用定位销定位，确保层板之间不会发生相对移动。
步骤3，扩散焊接：将装配件置于真空热压扩散焊接炉中进行焊接，焊接压力为15MPa，焊接温度为1600℃，保温时间为1h，焊接真空度≤5×10-2Pa。
步骤4，焊接质量检测：焊接件出炉后，进行无损检测，未发现存在未焊合区域，然后经过0.7MPa、0.5h保压测试后，未发现焊接区域存在漏气等情况。
步骤5，焊接件加工：将焊接件进行灌蜡处理，防止加工过程中加工碎屑堵塞内部流道，然后按照图纸将产品外形轮廓加工。
步骤6，加工件后处理：加工件依次经过脱蜡、清洗、检验合格得到产品，脱蜡的温度为150℃。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，该制备方法适用于同/异材质间扩散连接，适合批量工业化生产。本发明设计合理、使用效果好，通过此发明可以实现具有内部复杂精密流道结构的难熔金属部件的制备。
与现有技术相比，本发明解决了目前的机械加工无法实现复杂流道的整体加工问题，精密铸造、3D打印等方法无法实现难熔金属工程化应用问题，热等静压扩散焊效率低、工艺复杂、流道变形和不适用于薄壁流道结构等问题，以及SPS扩散焊接件尺寸问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下具体步骤：
步骤1，制备难熔金属板坯：
将难熔金属部件设计成多层难熔金属板坯的组合；
步骤2，板坯叠加：
在每层所述难熔金属板坯叠加后的对应位置打定位孔，
按照设计的顺序将多层所述难熔金属板坯清洗干净后叠加在一起，在所述定位孔内设置定位销进行定位，得到装配件；
步骤3，扩散焊接：
将装配件进行扩散焊接，得到焊接件；
步骤4，焊接质量检测：
对焊接件进行无损超声检测以及打压测试；
步骤5，焊接件加工：
向焊接件的内部流道灌装石蜡，然后将焊接件加工至难熔金属部件的外部轮廓，得到加工件；
步骤6，加工件后处理：
所述加工件依次经过脱蜡、清洗、检验合格后得难熔金属部件。
2.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤1中，根据成品实际尺寸要求设计每层所述难熔金属板坯的加工图纸，按图纸制备所述难熔金属板坯，所述难熔金属板坯的外形轮廓尺寸按照难熔金属部件的最大外形尺寸设计，所述图纸需确保所述难熔金属板坯经过所述步骤2至所述步骤6后满足内部复杂流道及外形轮廓的要求。
3.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤3中，将叠加后的多层所述难熔金属板坯置于真空扩散焊接炉中进行扩散焊接。
4.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤6中，将加工件置于烘箱中进行脱蜡。
5.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤1中，所有所述难熔金属板坯的焊接表面的光洁度≤Ra0.4，
所述难熔金属板坯上的对应所述内部流道位置处的尺寸精度符合难熔金属部件要求。
6.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤2中，所述难熔金属板坯具有所述定位孔的位置处在成品加工时可以去除，所述定位孔的个数为2～3个，
所述定位孔在所述难熔金属板坯的平面对角线上或者成品字形分布，
所述定位孔的直径为2mm～3mm，
所述定位销与所述定位孔之间的配合过盈量为0～0.015mm。
7.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
所述定位销的材质与所述难熔金属板坯的材质保持一致，
或者所述定位销的材质的熔点高于焊接温度，
所述定位销的高度比所有所述难熔金属板坯叠加的组合厚度低0.2mm～0.5mm。
8.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤3中，扩散焊接的温度为1500℃～1800℃，焊接压力为15MPa～25MPa，保温时间为0.5h～2h，工作真空度≤5×10-2MPa。
9.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤4中，无损超声检测采用水浸超声波探伤，
打压测试的压力为0.5MPa～1.0MPa，保压时间为0.5h～1h。
10.根据权利要求1所述的含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法，其特征在于，
在所述步骤6中，脱蜡的温度≥150℃，确保内部流道中灌装的石蜡脱除干净。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311410440.XA CN117283245A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311410440.XA CN117283245A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种含有内部复杂精密流道难熔金属部件的制备方法 |
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| CN117283245A true CN117283245A (zh) | 2023-12-26 |
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