高温结构材料用镍基合金钎焊材料及其应用的制作方法

1.本发明涉及高温结构材料焊接技术领域，具体涉及一种高温结构材料用镍基合金钎焊材料及其应用，该钎焊材料适用于高温结构材料(镍基高温合金或金属间化合物)的钎焊。


背景技术：

2.高温结构材料是一类特殊的工程材料，以镍基高温合金或其金属间化合物为代表。因其具有熔点高、抗蠕变强度好、密度低、耐热腐蚀、耐氧化以及其他优异性能，已经被应用于航空、冶金、机械、电化学、环保工业等领域，并有进一步发展的潜力和扩大应用的需求。但是由于这类合金通常会加入较多的强化元素，如re、mo等，其合金化程度不断提高，并且这类材料本身也具有较明显的脆性特征，综合因素导致这些材料的焊接性能极差，产生焊接冷、热裂纹的倾向性较高，严重影响了构件的焊接加工和使用。
3.通常来说，对于传统镍基高温合金，解决其焊接问题的主要方法有两种，一种是瞬态液相连接技术，该方法是综合了扩散焊接和传统钎焊方法的优点发展而成，具有接头强度高、性能稳定、组织结构优异等特点，但该方法对装配精度要求较高，并且焊接时间和温度都很高，生产效率较低；另外一种方法是传统的高温钎焊，这种传统方法由于具有装配精度要求宽泛、工艺控制简单、生产效率高等优点，在目前的工业生产中仍被广泛采用。
4.目前来说，镍基金属间化合物高温合金的焊接也通常采用钎焊方法，但由于这种材料的研制和推广应用仍处于探索阶段，比传统镍基高温合金或者单晶高温合金的技术成熟度相对低，相关的钎焊工艺和钎焊材料的研究也不多，且接头强度较低并且对母材的影响较大。但是，随着工业领域对高温结构材料的要求不断提高，高强度、低密度的金属间化合物高温合金成为未来高温结构材料的重要发展方向，而相应的钎焊材料和工艺研究亟待解决。


技术实现要素：

5.为了解决目前金属间化合物高温合金钎焊后接头强度低、对母材影响较大的问题，以及解决传统镍基高温合金存在的焊接问题，本发明提供一种高温结构材料用镍基合金钎焊材料及其应用，该钎焊材料用于金属间化合物高温合金或镍基高温合金的优质焊接。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种高温结构材料用镍基合金钎焊材料，其为镍基合金，按重量百分含量计，所述钎焊材料化学成分为：硼0.2～1.5％，硅2～6％，钼2～6％，铬5～15％，钴2-15％，钨2-8％，铝2～5％，钽和/或钛1～4％，镍为余量。
8.按重量百分含量计，所述镍基合金钎焊材料优选的化学成分为：硼0.5～1.2％，硅2.5～5％，钼3～4.5％，铬8～13％，钴6-12％，钨3.5-5.2％，铝2.5～4％，钽和/或钛1.5～3.5％，镍为余量。
9.按重量百分含量计，所述钎焊材料更优选的化学成分为：硼0.8-1.2％，硅2.5-3.5％，钼3.2-4％，铬11.5-12.5％，钴9-11％，钨4-5％，铝2.5-3％，钽和/或钛2.5-3.5％，镍为余量。
10.所述钎焊材料为粉末状，采用超声气体雾化法制备获得；所述钎焊材料粒度为-100到-300目。
11.所述钎焊材料用于高温结构材料(镍基高温合金或其金属间化合物合金)的焊接，焊接方式为高温真空钎焊。
12.所述钎焊材料作为中间层，在1190～1290℃进行高温真空钎焊，焊接时间为20～90分钟。
13.本发明原理如下：
14.为了解决镍基金属间化合物高温合金钎焊接头强度低和对母材性能劣化影响较明显的问题，考虑到改善实际零件焊接过程润湿行为的因素，选择镍作为钎焊材料基体；根据典型降熔点元素与镍基体所可能发生的共晶反应，以及这些共晶反应随焊接温度的变化趋势，选择si和b作为降熔点元素，另外，为了避免高温钎焊时所可能带来的熔蚀问题，本发明镍基合金钎焊材料中严格限制si和b的加入量；为了优化焊后接头性能，加入优化含量的铬、钨、铁元素，一方面固溶强化合金，另一方面可以改善接头抗高温氧化性能；为了有效控制钎焊过程对母材的劣化影响，将焊接温度控制在基体强化相析出温度之上，确保钎焊过程中不会导致沉淀相的粗化，影响接头高温性能。
15.本发明的有益效果是：
16.1、本发明解决了目前镍基金属间化合物高温合金钎焊材料设计不合理，焊后性能差的问题，采用本发明钎焊合金对金属间化合物单晶高温合金高温真空钎焊，连接质量良好，方法简单有效。
17.2、焊接后合金(接头)的高温抗拉强度达到母材65％以上；焊接后母材的力学性能未受到影响。
18.3、本发明钎焊材料用于传统镍基高温合金焊接时，能够获得良好接头性能。
附图说明
19.图1为钎焊合金外观形貌。
20.图2为钎焊合金dsc分析结果。
21.图3为实施例1焊接后样品微观组织。
22.图4为实施例1焊接后样品抗拉性能。
23.图5为实施例2焊接后样品微观组织。
24.图6为实施例2焊接后样品抗拉性能。
25.图7为实施例3焊接后样品微观组织。
26.图8为实施例3焊接后样品抗拉性能。
27.图9为实施例4焊接后样品微观组织。
28.图10为实施例4焊接后样品抗拉性能。
29.图11为实施例5焊接后样品微观组织。
30.图12为实施例5焊接后样品抗拉性能。
31.图13为实施例5焊接后母材与原始态母材强度。
具体实施方式
32.以下结合附图及实施例详述本发明。
33.本发明提供一种用于金属间化合物高温合金或镍基高温合金的钎焊材料，以下实施例中所用粉末状的钎焊合金材料制备方法为：将纯度大于99.99％的纯镍、铬、钴、钨、钼、铝、钽(或钛)、硅和镍-硼合金(镍-硼合金中硼为21wt.％)按所述比例配好后放入真空感应熔炼炉中熔炼成合金锭。采用超声气体雾化法将合金锭制备成近球形粉末，粉末粒度为约100目，其外观形貌如图1所示，采用dsc方法测试该合金的熔化温度(图2)。使用这种钎焊合金在1190～1290℃进行高温真空钎焊，用时20～90分钟即可完成，并且没有基体的液化，也没有发现熔蚀问题。接头连接质量较好，强度较高。
34.实施例1
35.本实施例采用母材为金属间化合物高温合金，化学成分为：cr：0.5-3wt.％；al：2-8wt.％；mo：3-10wt.％；ta：0.5-5wt.％；镍为余量。
36.中间层合金(钎焊材料)化学成分为(wt.％)：硼0.95％，硅2.8％，钼3.6％，铬12.2％，钴9.5％，钨4.5％，铝3％，钛3％，镍为余量。
37.去除合金棒(母材)表面氧化皮，加工成φ16mm
×
4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
38.将装配好的样品放置在真空炉中进行钎焊，连接温度为1240℃，时间为30分钟，炉内气压不高于8
×
10-2
pa。焊接结束后炉冷至室温。
39.图3是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图4是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
40.实施例2
41.本实施例采用母材为金属间化合物高温合金：化学成分为：cr：0.5-3wt.％；al：2-8wt.％；mo：3-10wt.％；ta：0.5-5wt.％；镍为余量。
42.中间层合金(钎焊材料)化学成分为(wt.％)：硼1％，硅3.2％，钼3.8％，铬11.8％，钴10％，钨4.2％，铝2.6％，钽2.8％，镍为余量。
43.去除合金棒表面氧化皮，加工成φ16mm
×
4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
44.将装配好的样品放置在真空炉中进行钎焊，连接温度为1270℃，时间为20分钟，炉内气压不高于8
×
10-2
pa。焊接结束后炉冷至室温。
45.图5是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图6是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
46.实施例3
47.本实施例采用母材为金属间化合物高温合金，化学成分为：cr：0.5-3wt.％；al：2-8wt.％；mo：3-10wt.％；ta：0.5-5wt.％；钴：9％；钨：2％；镍为余量。
48.中间层合金(钎焊材料)化学成分为(wt.％)：硼0.85％，硅2.9％，钼3.5％，铬
11.8％，钴9.5％，钨4.8％，铝2.8％，钽2.5％，镍为余量。
49.去除合金棒表面氧化皮，加工成φ16mm
×
4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
50.将装配好的样品放置在真空炉中进行钎焊，连接温度为1290℃，时间为180分钟，炉内气压不高于8
×
10-2
pa。焊接结束后炉冷至室温。
51.图7是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图8是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
52.实施例4
53.本实施例采用母材为镍基高温合金，化学成分为：cr：10-15wt.％；w：5-8wt.％；al：3-8wt.％；ti:2-5wt.％；镍为余量。
54.中间层合金(钎焊材料)化学成分为(wt.％)：硼1.1％，硅2.6％，钼3.6％，铬12.1％，钴9.6％，钨4.2％，铝3％，钛3％，镍为余量。
55.去除合金棒表面氧化皮，加工成φ16mm
×
4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
56.将装配好的样品放置在真空炉中进行焊接，连接温度为1195℃，时间为60分钟，炉内气压不高于8
×
10-2
pa。焊接结束后炉冷至室温。
57.图9是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图10是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
58.实施例5
59.本实施例采用母材为镍基高温合金，化学成分为：cr：10-15wt.％；w：5-8wt.％；al：3-8wt.％；ti:2-5wt.％；镍为余量。
60.中间层合金(钎焊材料)化学成分为(wt.％)：硼0.95％，硅2.7％，钼3.5％，铬11.8％，钴10.5％，钨4.55％，铝2.7％，钽2.56％，镍为余量。
61.去除合金棒表面氧化皮，加工成φ16mm
×
4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层合金流失。
62.将装配好的样品放置在真空炉中进行焊接，焊接温度为1210℃，时间为200分钟，炉内气压不高于8
×
10-2
pa。焊接结束后炉冷至室温。
63.图11是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图12是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
64.图13是经过钎焊热循环后母材样品的拉伸性能，可以看出，经过钎焊热循环后的母材样品，其抗拉强度仍保持较高水平。这说明本发明钎焊合金和工艺可以有效控制钎焊热循环过程对金属间化合物高温合金母材的劣化影响。