CN118268694A - 一种极强抗高温的Inconel718/IC10电子束焊接接头 - Google Patents
一种极强抗高温的Inconel718/IC10电子束焊接接头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种极强抗高温Inconel718/IC10电子束焊接接头,所述电子束焊接接头的制备方法包括以下步骤:将Inconel718母材和IC10母材分别进行固溶处理,然后进行真空电子束焊接处理和时效处理,即得到所述极强抗高温涡轮叶盘叶片用Inconel718/IC10的电子束焊接接头;其中,真空电子束焊接处理的焊接电压为85~95KV,焊接速度为3~8mm/s,焊接束流为25~35mA。采用本发明的Inconel718/IC10电子束焊接接头有非常优异的异种材料结合界面,没有溅射、孔洞等缺陷,可以显著改善焊缝内Nb、Ti等元素偏聚,优化了焊缝的微观组织结构,有效提高了焊接接头的高温力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及航空涡轮叶盘叶片制备技术领域,特别涉及一种极强抗高温Inconel718/IC10的电子束焊接接头。
背景技术
镍基高温合金主要用于航空发动机的四大热端部件:燃烧室、导向器、涡轮叶片以及涡轮盘,其中涡轮叶片是服役温度最高,载荷最大的部件之一,因此对涡轮叶片制作材料的性能要求极为严格[1,2]。目前涡轮叶片材料大多采用Ni3Al基定向凝固以及单晶高温合金,Ni3Al基高温合金具有高熔点、优异的高温强度及抗氧化性能等特点。IC10是由我国自主研发的一种新型Ni3Al基定向凝固高温合金,用于满足某高推重比发动机一级导向叶片的需求,服役温度可达1100℃[3]。Inconel718合金是我国近些年主要用的涡轮盘材料,在650℃下屈服强度居变形高温合金首位[4,5]。同时随着涡轮发动机对涡轮盘材料性能要求的不断提高,Inconel718合金的制备也得到了不断发展。
IC10合金组织主要由基体γ相、二次γ′相、(γ+γ′)共晶、碳化物以及少量硼化物组成,IC10合金主要有定向凝固型以及单晶型。合金中不含Ti元素而采用高含量的Al和Ta元素作为γ′相的形成元素[6]。Al、Ta和Cr元素使得合金具有优异的抗氧化和耐腐蚀性能。加入的大量Co元素和Hf元素使得合金具有良好的铸造性能,微量的C元素则作为为晶界强化元素。Inconel718合金组织由γ-Ni固溶体,以及弥散分布的析出相γ″-Ni3Nb以及γ′-Ni3(Al,Ti),同时存在δ相和各种碳化物和硼化物相组成,以及在高温下可能出现脆硬的TCP相(如Laves相,μ相以及σ相等),体心四方结构的γ″-Ni3Nb以及面心立方结构的γ′-Ni3(Al,Ti)是该合金的主要强化相[7]。
随着航空工业以及能源行业的发展,对镍基高温合金的制备以及焊接技术的研究也引起了人们的重视。电子束焊接属于熔化焊的范畴,具有熔透能力强,焊接可靠性高,高的深宽比,热影响区窄以及数控精度高等优点[8]。随着科技的发展,电子束焊接技术在工业中有着广泛的应用,在难熔金属以及异种金属焊接中具有很大的优势。因此,希望通过异种材料的焊接充分发挥材料各自的优异性能,但材料之间热物理性能和成分的差异给焊接带来很大的困难,也给焊接接头的宏观形貌以及力学性能带来很大的影响。
参考文献:
[1] 李小强, 程准, 邱昊, 等. 镍基高温合金焊接修复技术的研究进展[J]. 材料导报, 2017, 31(S1): 541-545.
[2]李荣斌. Inconel718合金在冷变形和时效处理条件下组织变化的研究[D].济南: 燕山大学, 2002.
[3] Dai W, Wenjun S, Xin J, et al. Weldability andmechanicalproperties of IC10 single crystal and GH3039 superalloy dissimilar laser beamwelding joint[J]. Materials Science and Engineering A, 2020, 791: 139797.
[4] 王岩. δ相对Inconel718合金高温变形及再结晶行为的影响[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.
[5] 王庆增, 陈国胜, 孙文儒. 航空涡轮盘用Inconel718G合金研制[J]. 宝钢技术, 2013(02): 37-42.
[6] Xiong Y, Liu F, Li Q. Effect of post-bond heattreatment onmicrostructure and mechanical properties of the wide gap TLP bonded IC10superalloy with a low boron Ni3Al-based interlayer[J].Journal ofManufacturing Processes, 2020, 54: 109-119.
[7] Fan X, Li F, Liu L, et al. Evolution of γ’Particles in Ni-BasedSuperalloy Weld Joint and Its Effect on Impact Toughness During Long-TermThermal Exposure [J]. Acta Metallurgica Sinica(English Letters), 2020, 33(4):561-572.
[8] 张子阳. IC10/GH3039异种高温合金电子束焊接头组织及性能研究[D]. 南昌: 南昌航空大学, 2018.
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的至少一个不足,提供一种极强抗高温的Inconel718/IC10电子束焊接接头。
本发明所采取的技术方案是:
第一个方面,本发明提供一种极强抗高温Inconel718/IC10电子束焊接接头,所述电子束焊接接头的制备方法包括以下步骤:
1)将Inconel718母材和IC10母材分别进行固溶处理;
2)对步骤1)得到的材料进行真空电子束焊接处理;
3)对步骤2)得到的材料进行时效处理,即得到所述极强抗高温涡轮叶盘叶片用Inconel718/IC10的电子束焊接接头;
其中,所述步骤2)的真空电子束焊接处理的焊接电压为85~95KV,焊接速度为3~8mm/s,焊接束流为25~35mA。
在一些实例中,所述步骤2)的真空电子束焊接处理的真空度为(7.0~9.0)×10-3mbar。
在一些实例中,所述步骤1)中,Inconel718母材的固溶处理条件为(850~950℃)/(2~3)h。
在一些实例中,所述步骤1)中,IC10母材的固溶处理条件为(1050~1150℃)/(0.5~1.0)h。
在一些实例中,所述步骤3)的时效处理条件为(650~850℃)/(8~12)h。
在一些实例中,所述步骤1)中,Inconel718母材进行900℃/2h固溶处理。
在一些实例中,所述步骤1)中,IC10母材进行1050℃/1h固溶处理。
在一些实例中,所述步骤2)中采用7.2×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为5mm/s,焊接束流为15mA。
在一些实例中,所述步骤3)中的时效处理条件为750℃/8h。
以上各特征在不冲突的情况下可以任意组合。
第二个方面,一种航空发动机用涡轮材料,包括Inconel718合金和IC10合金,Inconel718合金和IC10合金之间的接头按本发明第一个方面所述的制备方法制备得到。
在一些实例中,Inconel718合金为涡轮盘材料。
在一些实例中,IC10合金为涡轮叶片材料。
本发明的有益效果是:
采用本发明的Inconel718/IC10电子束焊接接头有非常优异的异种材料结合界面,没有溅射、孔洞等缺陷,可以显著改善焊缝内Nb、Ti等元素偏聚,优化了焊缝的微观组织结构,有效提高了焊接接头的高温力学性能。
附图说明
图1是实施例1得到的Inconel718/IC10焊接接头宏观组织。
图2是实施例2的Inconel718/IC10焊缝处的SEM形貌组织。
图3是实施例4的Inconel718/IC10焊缝处的TEM形貌。
具体实施方式
第一个方面,本发明提供一种极强抗高温涡轮叶盘叶片用Inconel718/IC10的电子束焊接接头,所述方法为:母材经过固溶处理后进行焊接,所述电子束焊接采用真空环境,焊接电压为85~95KV,焊接速度为3~8mm/s,焊接束流为25~35mA,焊接后进行时效处理。
在一些实例中,所述的极强抗高温涡轮叶盘叶片用电子束焊接接头,Inconel718为铸造镍基合金,IC10为定向凝固镍基合金。
在一些实例中,所述极强抗高温涡轮叶盘叶片用电子束焊接接头,电子束焊接采用(7.0~9.0)×10-3 mbar的真空环境。
在一些实例中,所述母材Inconel718的固溶处理为(850~950℃)/(2~3)h、母材IC10的固溶处理为(1050~1150℃)/(0.5~1.0)h。
在一些实例中,所述焊后焊接接头时效处理为(650~850℃)/(8~12)h。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同方案。
实施例1
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行850℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/0.5h固溶处理,采用 7.0×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为3mm/s,焊接束流为25mA,焊后焊接接头时效处理为650℃/8h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例2
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行850℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/0.5h固溶处理,采用7.0×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为3mm/s,焊接束流为25mA,焊后焊接接头时效处理为650℃/12h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例3
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行900℃/2h固溶处理、IC10进行1100℃/0.5h固溶处理,采用7.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为5mm/s,焊接束流为30mA,焊后焊接接头时效处理为700℃/10h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例4
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行900℃/2h固溶处理、IC10进行1100℃/0.5h固溶处理,采用7.5×10-3mbar真空电子束焊接,焊接电压为90KV,焊接速度为6mm/s,焊接束流为30mA,焊后焊接接头时效处理为750℃/10h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例5
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行900℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/1h固溶处理,采用7.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为6mm/s,焊接束流为25mA,焊后焊接接头时效处理为800℃/8h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例6
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行900℃/2h固溶处理、IC10进行1100℃/1h固溶处理,采用9.0×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为6mm/s,焊接束流为35mA,焊后焊接接头时效处理为800℃/10h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例7
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行900℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/1h固溶处理,采用8.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为90KV,焊接速度为8 mm/s,焊接束流为35mA,焊后焊接接头时效处理为850℃/10h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例8
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行950℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/1h固溶处理,采用8.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为90KV,焊接速度为8 mm/s,焊接束流为35mA,焊后焊接接头时效处理为850℃/12h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例9
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行950℃/2h固溶处理、IC10进行1150℃/1h固溶处理,采用 9.0×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为95KV,焊接速度为8mm/s,焊接束流为30mA,焊后焊接接头时效处理为750℃/12h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
实施例10
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行950℃/2h固溶处理、IC10进行1150℃/1h固溶处理,采用9.0×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为95KV,焊接速度为8 mm/s,焊接束流为30mA,焊后焊接接头时效处理为850℃/12h,获得无溅射、孔洞等缺陷的接头。
对比例1
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行1050℃/2h固溶处理、IC10进行1250℃/1h固溶处理,采用7.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为95KV,焊接速度为30mm/s,焊接束流为5mA,焊后焊接接头时效处理为650℃/8h,获得溅射明显的接头。
对比例2
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行750℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/0.5h固溶处理,采用7.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为150KV,焊接速度为20mm/s,焊接束流为50mA,焊后焊接接头时效处理为800℃/10h,获得大孔洞缺陷的接头。
对比例3
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行750℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/0.5h固溶处理,采用3.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为95KV,焊接速度为30mm/s,焊接束流为5mA,焊后焊接接头时效处理为800℃/10h,获得大孔洞缺陷的接头。
对比例4
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行1050℃/2h固溶处理、IC10进行1150℃/2h固溶处理,采用8.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为95KV,焊接速度为60 mm/s,焊接束流为20mA,焊后焊接接头时效处理为750℃/10h,获得有疏松孔洞的接头。
对比例5
将相同厚度的Inconel718和IC10镍基合金进行超声清洗后,Inconel718进行900℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/1h固溶处理,采用7.5×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为6mm/s,焊接束流为25mA,焊后焊接接头时效处理为550℃/12h,获得无强化析出相的接头。
性能检测
按国标《GB/T15970.7-2000》拉伸试验,对制备得到的异种材料焊接接头进行检测,上述实施的一种极强抗高温涡轮叶盘叶片用Inconel718/IC10的电子束焊接接头高温(650℃)抗拉强度、延伸率、平均晶粒尺寸如表1所示。
表1
从表1的数据可知:
本发明实施例5中Inconel718进行900℃/2h固溶处理、IC10进行1050℃/1h固溶处理,采用7.2×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为5mm/s,焊接束流为15mA,焊后焊接接头时效处理为750℃/8h,在各实施例中具有最佳的性能。
在对比例1中母材Inconel718 与IC10固溶温度超过了限定范围;在对比例2中焊接参数超过了限定范围;在对比例3中,电子束焊接真空度低于限定范围;在对比例5中,焊后焊接接头时效处理温度低于限定范围,导致其抗拉强度、延伸率明显下降,焊缝的平均晶粒尺寸显著增加。
图1是实施例1得到的Inconel718/IC10焊接接头宏观组织。从图中可以看出,经过适当的固溶热处理工艺及电子束焊接参数,可以得到没有溅射、孔洞等缺陷的接头,较为光滑平整。
图2是实施例2的Inconel718/IC10焊缝处的SEM形貌组织。从图中可以看出,在合适的固溶热处理工艺、电子束焊接参数及时效热处理下,焊缝有明显的枝晶组织,第二相均匀分布在焊缝内部。
图3是Inconel718/IC10焊缝处的TEM形貌。从图中可以看出大量的γ’析出相均匀弥散分布在焊缝内,起到沉淀强化作用,可以显著提升焊接接头的力学性能。
以上是对本发明所作的进一步详细说明,不可视为对本发明的具体实施的局限。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的简单推演或替换,都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种极强抗高温Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述电子束焊接接头的制备方法包括以下步骤:
1)将Inconel718母材和IC10母材分别进行固溶处理;
2)对步骤1)得到的材料进行真空电子束焊接处理;
3)对步骤2)得到的材料进行时效处理,即得到所述极强抗高温涡轮叶盘叶片用Inconel718/IC10的电子束焊接接头;
其中,所述步骤2)的真空电子束焊接处理的焊接电压为85~95KV,焊接速度为3~8mm/s,焊接束流为25~35mA。
2.根据权利要求1所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤2)的真空电子束焊接处理的真空度为(7.0~9.0)×10-3 mbar。
3.根据权利要求1所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤1)中,Inconel718母材的固溶处理条件为(850~950℃)/(2~3)h。
4.根据权利要求1所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤1)中,IC10母材的固溶处理条件为(1050~1150℃)/(0.5~1.0)h。
5.根据权利要求1所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤3)的时效处理条件为(650~850℃)/(8~12)h。
6.根据权利要求1~5任一项所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤1)中,Inconel718母材进行900℃/2h固溶处理。
7.根据权利要求1~5任一项所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤1)中,IC10母材进行1050℃/1h固溶处理。
8.根据权利要求1~5任一项所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤2)中采用7.2×10-3 mbar真空电子束焊接,焊接电压为85KV,焊接速度为5mm/s,焊接束流为15mA。
9.根据权利要求1~5任一项所述的Inconel718/IC10电子束焊接接头,其特征在于,所述步骤3)中的时效处理条件为750℃/8h。
10.一种航空发动机用涡轮材料,包括Inconel718合金和IC10合金,其特征在于,Inconel718合金和IC10合金之间的接头按权利要求1~9任一项所述的制备方法制备得到。
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CN202410591112.2A CN118268694A (zh) | 2024-05-13 | 2024-05-13 | 一种极强抗高温的Inconel718/IC10电子束焊接接头 |
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