CN117600651A - 一种铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法，方法中，对待焊的铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金的待焊区域分别进行砂纸细磨、抛光、蒸馏水清洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干；将铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金按顺序依次叠放在一起构成待焊工件，将待焊工件置于惰性气体保护的低真空环境中，使用压板将叠放在一起的待焊工件压紧，低真空环境真空度为100Pa～500Pa；完成待焊接工件的激光搭接焊，在焊接过程中，激光垂直入射于铌合金表面，依次穿过铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金，使钛中间层、铼中间层的金属与两侧铌合金、镍基高温合金相互熔合，形成搭接接头。
Description
技术领域
本发明属于异质金属激光焊接技术领域，特别是一种铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法。
背景技术
碱金属冷却堆电源换热器需要具有良好的耐碱金属腐蚀的能力，同时，辐射散热器的高散热需求使得工件热温度高、进而要求热源工作温度相应提高，要求材料具有良好的高温持久强度，与良好的成形性能。
铌合金具有良好的室温塑性、优异的机械加工性能、良好的导热性、耐碱金属腐蚀性能以及较高的高温强度，因此Nb合金适合用于锂冷等核反应堆换热器的碱金属侧部件。镍基高温合金具有良好的室温强度及塑性、较高的持久蠕变强度以及良好的抗氧化性和冲击、焊接等性能，适合制造核反应堆发电机换热器的气冷侧部件。换句话说，需要在一个复杂形状的密封结构中同时使用铌合金和镍基合金这两种材料。因此，迫切需要实现铌合金与镍基高温合金的可靠连接。
铌合金与镍基高温合金的焊接存在许多问题。首先，易生成脆性金属间化合物导致焊后立即开裂。Nb-Ni体系中存在3种低熔点的化合物：Ni8Nb、Ni3Nb和Ni6Nb7。Ni3Nb又称初始δ相是硬而脆的相，与基体之间为非共格界面，在受力塑性变形过程中无强化相析出区会成为应变集中区，在承受应变时的δ相与基体之间容易因为应变量差异而在界面上开裂；其次，难熔金属熔焊时出现气孔缺陷几率较大，同时叠层材料之间间隙的存在进一步增大了产生气孔缺陷的几率；此外，异质材料的连接还存在较大的应力变形问题。
目前，使用钎焊可以实现铌合金和镍基高温合金的连接，获得润湿性良好、组织致密、无缺陷的接头，但是钎料熔点较低、高温性能差，难以满足铌合金和镍基高温合金高温服役要求。扩散焊与爆炸焊是连接异种金属材料的优异方法，可以获得无缺陷的铌合金和镍基高温合金接头，但是爆炸焊难以进行不同尺寸和复杂曲面形状的铌合金和镍基高温合金的连接，扩散焊对装配间隙与焊接时施加的压力要求高，难以进行大尺寸、大幅面的铌合金和镍基高温合金连接。
因此，本发明基于“冶金相容性”设计了一种双中间层的冶金过渡方案，采用低真空环境焊接的措施来抑制气孔缺陷，采用低热输入激光焊方法和低膨胀系数中间层来控制变形。本发明所述技术具有脆性相少，缺陷少，变形小，接头高温性能优异的优点，而且采用本发明技术时对装配间隙要求低，焊接效率高。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法,旨在解决铌基合金和镍基高温合金异种金属材料焊接过程中由于脆性金属间化合物导致的裂纹问题。该方法可以实现对铌合金和镍基高温合金的有效连接，成功解决铌合金于镍基高温合金异质接头激光焊接后开裂问题，提高铌合金和镍基高温合金连接件的力学性能。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法包括以下步骤，
步骤1：对待焊的铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金的待焊区域分别进行砂纸细磨、抛光、蒸馏水清洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干；
步骤2：将铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金按顺序依次叠放在一起构成待焊工件，将待焊工件置于惰性气体保护的低真空环境中，使用压板将叠放在一起的待焊工件压紧，低真空环境真空度为100Pa～500Pa；
步骤3：完成待焊接工件的激光搭接焊，在焊接过程中，激光垂直入射于铌合金表面，依次穿过铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金，使钛中间层、铼中间层的金属与两侧铌合金、镍基高温合金相互熔合，形成搭接接头。
所述的方法中，步骤1中，所述铌合金包括Nb521、Nb1Zr，所述镍基高温合金包括GH3128、K447A。
所述的方法中，所述铌合金的厚度为2mm～4mm，所述镍基高温合金的厚度为2mm～4mm，所述钛中间层的厚度为0.5mm～1mm，宽度为5mm～10mm，所述铼中间层的厚度为0.3mm～1mm，宽度为5mm～10mm。
所述的方法中，铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金两两之间的搭接间隙范围0mm～0.2mm。
所述的方法中，步骤2中，在压紧的过程中铌合金与镍基高温合金两侧非重叠区域各放置一垫片使得工件装夹紧凑。
所述的方法中，步骤3中，激光焊接的功率为3500W～4500W，焊接速度为35mm/s～45mm/s，激光离焦量为-2mm～+2mm，激光光斑直径为0.2mm，激光的入射方向为垂直于材料表面入射。
所述的方法中，铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金自上而下呈现出窄-宽-窄-宽的变径铆接式焊缝。
所述的方法中，步骤3中，Nb-Ti体系无金属间化合物，Ti-Re体系中Re在钛中的固溶度达到了40wt.％，Re-Ni体系中无金属间化合物，即任意相邻两层金属之间都具有良好的冶金相容性。
所述的方法中，步骤3中，铌合金和钛中间层厚度之和不超过镍基高温合金厚度，且Re熔化宽度不大于焊缝平均宽度的40％。
所述的方法中，步骤3中，进入上部铌合金熔池中Ni元素的含量低于20％，进入下部镍基高温合金熔池中Nb元素的含量低于20％。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法采用Ti、Re两种元素作为中间层元素，其中Ti元素与Nb元素无限互溶无金属间化合物，Ni元素与Re元素无限互溶无金属间化合物，Re元素在Ti元素中有较大的固溶度，达到了40wt.％，且由于Re元素熔点高，在搭接接头中的熔化量少，故接头不易产生脆性金属件化合物。避免了产生Nb和Ni的脆性金属间化合物，抑制了焊缝开裂的问题。
本发明使用的中间层元素Re的熔点高，Ti的熔点低，固在激光一穿四的搭接接头中，Re元素熔池很窄起到了一个阻隔作用，阻碍了上下熔池中的Nb与Ni元素的混溶。同时，Re、Ti元素在熔池中对焊缝金属起到了固溶强化的作用，使焊缝区显微硬度增高。再者，由于Re元素热膨胀系数小于Nb、Ni元素，对减小变形和提高接头力学性能有益。
经试验，采用本发明后铌合金与镍基高温合金的激光搭接接头的强韧性得到显著提高，焊接接头最窄处室温拉剪强度达到了391MPa，拉剪断裂位置位于铌锆侧焊缝处，焊缝拉伸断口微观形貌主要表现为解理断裂。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1为Nb-Ti二元相图、Ti-Re二元相图、Re-Ni二元相图；
图2为铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金激光搭接焊示意图；
图3为搭接接头横截面元素分布图；
图4(a)、图4(b)为搭接接头拉剪试样示意图及拉剪实验应力位移曲线图；
图5为拉剪实验断裂后接头横截面形貌；
图6为搭接接头焊缝区纵向显微维氏硬度曲线；
图7为搭接接头铌合金侧、钛中间层、铼中间层的显微维氏硬度；
图8为拉剪断裂后接头经历1次850℃冷热循环后接头横截面形貌。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，在一个实施例中，如图1至图8所示，铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法包括以下步骤，
步骤1：对待焊的铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金的待焊区域分别进行砂纸细磨、抛光、蒸馏水清洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干；
步骤2：将铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金按顺序依次叠放在一起构成待焊工件，将待焊工件置于惰性气体保护的低真空环境中，使用压板将叠放在一起的待焊工件压紧，低真空环境真空度为100Pa～500Pa；
步骤3：完成待焊接工件的激光搭接焊，在焊接过程中，激光垂直入射于铌合金表面，依次穿过铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金，使钛中间层、铼中间层的金属与两侧铌合金、镍基高温合金相互熔合，形成搭接接头。
采用本发明的铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法能在Re层形成一个宽度很小的熔化区，使上部熔池与下部熔池金属的交换和混合显著减少，不仅能够解决铌合金与镍基高温合金抑制接头激光焊接后开裂的问题，还可以获得良好的抗剪切强度。
所述的方法的优选实施方式中，步骤1中，所述铌合金包括Nb521、Nb1Zr，所述镍基高温合金包括GH3128、K447A。
所述的方法的优选实施方式中，所述铌合金的厚度为2mm～4mm，所述镍基高温合金的厚度为2mm～4mm，所述钛中间层的厚度为0.5mm～1mm，宽度为5mm～10mm，所述铼中间层的厚度为0.3mm～1mm，宽度为5mm～10mm。当所述钛中间层和铼中间层的厚度在上述范围以下时，中间层的隔离作用会变差。当所述钛中间层和铼中间层的厚度在上述范围以上时，会使冷热循环过程中材料膨胀系数差异导致的应力失配加剧，使接头服役性能恶化。
所述的方法的优选实施方式中，铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金两两之间的搭接间隙范围0mm～0.2mm。
所述的方法的优选实施方式中，步骤2中，在压紧的过程中铌合金与镍基高温合金两侧非重叠区域各放置一垫片使得工件装夹紧凑。
所述的方法的优选实施方式中，步骤3中，激光焊接的功率为3500W～4500W，焊接速度为35mm/s～45mm/s，激光离焦量为-2mm～+2mm，激光光斑直径为0.2mm，激光的入射方向为垂直于材料表面入射。
所述的方法的优选实施方式中，铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金自上而下呈现出窄-宽-窄-宽的变径铆接式焊缝。
所述的方法的优选实施方式中，步骤3中，Nb-Ti体系无金属间化合物，Ti-Re体系中Re在钛中的固溶度达到了40wt.％，Re-Ni体系中无金属间化合物。
所述的方法的优选实施方式中，步骤3中，铌合金和钛中间层厚度之和不超过镍基高温合金厚度，且Re熔化宽度不大于焊缝平均宽度的40％，即任意相邻两层金属之间都具有良好的冶金相容性。
所述的方法的优选实施方式中，步骤3中，进入上部铌合金熔池中Ni元素的含量低于20％，进入下部镍基高温合金熔池中Nb元素的含量低于20％。
在一个实施例中，一种铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法包括：
步骤1：对待焊的铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金的待焊区域分别进行砂纸细磨、抛光、蒸馏水清洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干；
步骤2：将铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金按顺序叠放在一起，将待焊工件置于惰性气体保护的低真空环境中，使用压板将叠放在一起的4层材料压紧；
步骤3：完成待焊接工件的激光搭接焊，在焊接过程中，激光垂直入射，依次穿过铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金，使两层中间层金属与两侧母材相互熔合，形成搭接接头。
步骤1中，所述的铌合金包括Nb521、Nb1Zr，所述的镍基高温合金包括GH3128、K447A。
步骤1中，所述铌合金的厚度为2mm～4mm，所述镍基高温合金的厚度为2mm～4mm。
步骤1中，所述的钛中间层的厚度为0.5mm～1mm，宽度为5mm～10mm，所述的铼中间层的厚度为0.3mm～1mm，宽度为5mm～10mm。
步骤1中，所述的钛中间层纯度≥99.99％，所述铼中间层纯度≥99.99％。
步骤1中，允许各层之间允许较大的搭接间隙，不会出现由于间隙太大导致的未焊合。经过砂纸细磨和抛光后的铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金，四层材料两两之间的搭接间隙范围0mm～0.2mm。
步骤2中，优选的，铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金四层材料叠放过程中，单道焊时，铌合金与镍基高温合金的搭接区域宽度1mm～3mm。可以多道焊焊缝并行，获得更宽的搭接区域。
步骤2中，在压紧的过程中铌合金与镍基高温合金两侧非重叠区域各放置一垫片使得工件装夹紧凑。
步骤2中，优选的，所述惰性气体为纯度≥99.99％的氩气，在激光焊接前进行多次反复通氩气与抽真空，确保获得低真空惰性气体环境。
步骤3中，所述激光焊接的功率为3500W～4500W，焊接速度为35mm/s～45mm/s，激光离焦量为-2mm～+2mm，激光光斑直径为0.2mm，激光的入射方向为垂直于材料表面入射。
步骤3中，由于各材料熔点、热导率等物理属性差异大，各层材料熔化宽度差异大，自上而下呈现出窄-宽-窄-宽“变径铆接式”焊缝。
步骤3中，采用了基于冶金相容性的过渡层设计，具体表现为Nb-Ti体系无金属间化合物，Ti-Re体系中Re在钛中的固溶度达到了40wt.％，Re-Ni体系中无金属间化合物，即任意相邻两层金属之间都具有良好的冶金相容性。
步骤3中，Re熔化宽度≤焊缝平均宽度的40％，有效的抑制Re上部熔池和下部熔池的元素交换，熔池上下部分马兰戈尼对流相对独立，有效避免Nb-Ni金属间化合物的形成。
步骤3中，铼中间层上部焊缝各种元素混合均匀，铼中间层下部焊缝各种元素混合均匀，且焊缝中混合有能够提高高温强度及高温蠕变性能的Re元素。并且进入上部焊缝的Re元素多，可以弥补Ti元素造成的蠕变性能的下降，而焊缝下部镍基高温合金自身具有良好的高温蠕变性能。
步骤3中，Re元素的高温强度高，热膨胀系数小于铌合金和镍基高温合金，铼中间层在冷热循环过程中膨胀收缩幅度小。
步骤3中，进入上部铌合金熔池中Ni元素的含量低于20％，进入下部镍基高温合金熔池中Nb元素的含量低于20％。
图2展示了铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金激光搭接接头的焊缝过程示意图，图3展示了焊后搭接接头横截面的形貌，可以看出，Re熔化宽度≤焊缝平均宽度的40％，有效的抑制Re上部熔池和下部熔池的元素交换。铼中间层上部焊缝各种元素混合均匀，铼中间层下部焊缝各种元素混合均匀，且焊缝中混合有能够提高高温强度及高温蠕变性能的Re元素。进入上部铌合金熔池中Ni元素的含量为9wt.％，进入下部镍基高温合金熔池中Nb元素的含量低于10wt.％。图4(a)、图4(b)展示了铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金激光搭接接头的拉剪试验结果，搭接接头最窄处抗剪切强度达到了391MPa，图5展示了拉剪试验的断裂位置，可以看到，接头从铌侧的焊缝区熔合线处发生开裂，铌合金处焊缝、钛中间层处焊缝、铼中间层处焊缝中心的硬度均高于母材区的硬度。从图8可以看出，拉剪断裂后的试样经历了1次850℃冷热循环后，并未出现新的裂纹。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (6)
1.一种铌合金与镍基高温合金搭接接头的激光焊接方法，其特征在于，其包括以下步骤，
步骤1：对待焊的铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金的待焊区域分别进行砂纸细磨、抛光、蒸馏水清洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干；
步骤2：将铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金按顺序依次叠放在一起构成待焊工件，将待焊工件置于惰性气体保护的低真空环境中，使用压板将叠放在一起的待焊工件压紧，低真空环境真空度为100Pa～500Pa；
步骤3：完成待焊接工件的激光搭接焊，在焊接过程中，激光垂直入射于铌合金表面，依次穿过铌合金、钛中间层、铼中间层、镍基高温合金，使钛中间层、铼中间层的金属与两侧铌合金、镍基高温合金相互熔合，形成搭接接头。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，步骤1中，所述铌合金包括Nb521、Nb1Zr，所述镍基高温合金包括GH3128、K447A。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，在压紧的过程中铌合金与镍基高温合金两侧非重叠区域各放置一垫片使得工件装夹紧凑。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，Nb-Ti体系无金属间化合物，Ti-Re体系中Re在钛中的固溶度达到了40wt.％，Re-Ni体系中无金属间化合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，铌合金和钛中间层厚度之和不超过镍基高温合金厚度，且Re熔化宽度不大于焊缝平均宽度的40％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，进入上部铌合金熔池中Ni元素的含量低于20％，进入下部镍基高温合金熔池中Nb元素的含量低于20％。
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