一种减少焊缝微裂纹缺陷的镍基高温合金钎焊加工工艺

1.本发明涉及一种减少焊缝微裂纹缺陷的镍基高温合金钎焊加工工艺，属于镍基高温合金焊接技术领域。


背景技术：

2.高温合金是指能够在600℃以上高温环境下承受较大的复杂应力，且具有良好组织稳定性的铁基、镍基和钴基奥氏体金属材料。由于具有优异的高温力学性能，能够在高盐、强腐蚀等恶劣环境下长期稳定服役，目前高温合金已广泛用于制造航空发动机、燃气轮机等高精尖设备的关键热端零部件。其中，镍基高温合金综合性能突出，目前发展最快、应用最广。
3.航空发动机作为飞机的“心脏”，是推动航空工业发展的关键动力。由镍基高温合金制成的发动机部件，如叶片、涡轮盘、燃烧室的火焰筒和机匣等，由于结构复杂、使用条件苛刻，在生产和使用过程中不可避免的需要用到焊接加工技术。
4.以激光焊、电子束焊等为代表的熔化焊由于接头连接性能好且成本低，已成为镍基高温合金部件生产和修复过程中常用的加工工艺。然而当采用熔焊方法进行焊接时，焊后较快的冷却速率会在接头附近产生较大的内应力，降低接头力学性能；此外熔焊过程中焊缝周围的母材会发生熔化并重新凝固，进而降低了母材微观组织均匀性。真空钎焊通过熔化钎料连接合金，焊接温度相对较低，且焊后应力小、表面质量好，具有良好的应用前景。
5.由于真空钎焊具有不可替代的技术特点，一些精密、复杂的镍基高温合金部件在生产过程中只能通过真空钎焊的方式实现连接。某型号发动机导叶内环由gh4738镍基高温合金制成，在生产过程中需通过真空钎焊的方式进行加工，但目前的钎焊接头强度尚不能满足新时代更高温度和压力环境下长期稳定工作的要求，面临的主要问题是：采用的镍基钎料含有较多的硅、硼等降熔元素，接头中心区域的这些元素扩散不均匀，生成了硼化物等脆性相；焊后冷却过程中，在热应力的作用下这些脆性相内部易萌生微裂纹，进而降低接头强度。针对上述难题，需要优化钎焊工艺，减少甚至消除焊缝内部微裂纹缺陷，进一步提升接头的力学性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有真空钎焊工艺参数不合理的问题，提供一种减少焊缝微裂纹缺陷的镍基高温合金钎焊加工工艺，实现镍基高温合金更有效的钎焊连接，最终获得优异高温强度的钎焊接头。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.一种减少焊缝微裂纹缺陷的镍基高温合金钎焊加工工艺，包括以下步骤：
9.(1)焊前清理：将待焊接镍基高温合金加工成所需尺寸；依次使用150#、400#、800#、1500#砂纸打磨合金表面，去除氧化层，并使待焊合金表面光洁平滑；将合金放入无水乙醇中超声波清洗15-30min，去除表面油污及其它杂质；
10.(2)装配定位：使用储能点焊法将不锈钢片固定在待焊接头两侧的母材合金上，实现接头定位，其中接头间隙值为60-200μm；
11.(3)预置钎料：预置钎料前将粘结剂与粉状钎料混合成膏状，其中二者质量比为1：8；将膏状钎料涂敷至待焊接头周围，用量为填满接头间隙所需用量的2-4倍；
12.(4)真空钎焊：将预置好钎料的待焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至5
×
10-4
pa以下；以10-20℃/min的速率升温至600-650℃，保温15-25min进行中温预热，再以8-15℃/min的速率升温至850-900℃，保温20-30min进行高温预热，最后以5-10℃/min的速率升温至1010-1040℃，保温120-180min进行焊接；焊后真空炉内回充2.0bar的高纯氮气将钎焊组件快速冷却至100℃以下后出炉。
13.进一步地，步骤(3)中所述钎料熔点为970-998℃的粉状镍基钎料，粒度为200-300目，以质量分数计，其主要成分为：硼2.75-3.6％、硅4-5％、铬6-8铁2.5-3.6％，余量为镍。
14.进一步地，所述镍基高温合金为gh4738合金，以质量分数计，其主要成分为：碳0.03-0.10％、铬18-21％、钴12-15％、钼3.5-5％、钛2.75-3.25％、铝1.2-1.6％、硼0.003-0.01％、锆0.02-0.12％，余量为镍。
15.本发明技术方案的优点及有益效果在于：
16.本发明所述的减少焊缝微裂纹缺陷的镍基高温合金钎焊加工工艺，在钎料熔点为970-998℃、钎焊保温温度为1010-1040℃的基础上，通过将钎焊保温时间设定在120-180min之间，促进了钎料与母材之间元素的互扩散；配合间隙为60-200μm时，可以使焊缝内部无硼化物等脆性相析出，进而减少甚至消除了焊后微裂纹缺陷，在提升钎焊接头力学性能方面具有意想不到的效果。采用本发明工艺获得的钎焊接头在高温条件下抗拉强度达到340mpa，较工艺优化之前提升了30％，为实现导叶内环的高温长周期可靠运行奠定了基础。该工艺能够实现一次焊成无需补焊，方法简单合理，极具推广价值。
17.本发明所述的真空钎焊工艺，焊后钎焊炉内直接回充2.0bar的高纯氮气，加快了合金的冷却速率，降低了冷却过程中γ
′
析出相的粗化程度，为后续时效处理打下良好基础。
附图说明
18.图1是实施例1的钎焊接头微观组织照片，其中图(b)是图(a)的局部放大。
19.图2是对比例1的钎焊接头微观组织照片，其中图(b)是图(a)的局部放大。
具体实施方式
20.以下结合具体实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是对本发明的解释而不是限定。所述实施例和对比例中选用的gh4738合金棒材模拟镍基高温合金部件，并对棒材圆形端面进行焊接；合金成分如表1所示。所述钎料熔点为987℃的粉状镍基钎料，粒度为250目，具体成分如表2所示。
21.表1实施例和对比例中所用gh4738合金成分
22.成分ccrcomotialzrbni含量wt.％0.0619.2013.903.853.111.580.060.007余量
23.表2实施例和对比例中所用镍基钎料成分
24.成分bsicrfeni含量wt.％3.154.266.952.85余量
25.实施例1
26.步骤1，焊前清理：将待焊接镍基高温合金加工成所需尺寸；依次使用150#、400#、800#、1500#砂纸打磨合金表面，去除氧化层，并使待焊合金表面光洁平滑；将合金放入无水乙醇中超声波清洗25min，去除表面油污及其它杂质；
27.步骤2，装配定位：使用储能点焊法将不锈钢片固定在待焊接头两侧的母材合金上，实现接头定位，其中接头间隙值为100μm；
28.步骤3，预置钎料：预置钎料前将粘结剂与粉状钎料混合成膏状，其中二者质量比为1：8；将膏状钎料涂敷至待焊接头周围，用量为填满接头间隙所需用量的2-4倍；
29.步骤4，真空钎焊：将预置好钎料的待焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至5
×
10-4
pa以下；以15℃/min的速率升温至650℃，保温20min进行中温预热，再以10℃/min的速率升温至900℃，保温20min进行高温预热，最后以8℃/min的速率升温至1020℃，保温150min进行焊接；焊后真空炉内回充2.0bar的高纯氮气将钎焊组件快速冷却至100℃以下后出炉。
30.实施结果：使用扫描电镜观察钎焊连接后接头附近微观组织，如图1所示，可以看出焊缝内部组织均匀，无微裂纹缺陷存在。
31.实施例2
32.与实施例1的不同之处在于：
33.步骤2，装配定位：使用储能点焊法将不锈钢片固定在待焊接头两侧的母材合金上，实现接头定位，其中接头间隙值为120μm；
34.步骤4，真空钎焊：将预置好钎料的待焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至5
×
10-4
pa以下；以20℃/min的速率升温至600℃，保温15min进行中温预热，再以12℃/min的速率升温至850℃，保温25min进行高温预热，最后以5℃/min的速率升温至1030℃，保温140min进行焊接；焊后真空炉内回充2.0bar的高纯氮气将钎焊组件快速冷却至100℃以下后出炉。
35.对比例1
36.与实施例1的不同之处在于：
37.步骤4，真空钎焊：将预置好钎料的待焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至5
×
10-4
pa以下；以18℃/min的速率升温至630℃，保温18min进行中温预热，再以15℃/min的速率升温至900℃，保温20min进行高温预热，最后以8℃/min的速率升温至1050℃，保温12min进行焊接；焊后钎焊组件先随炉缓冷至930℃，之后真空炉内回充1.0bar的高纯氮气将组件快速冷却至100℃以下后出炉。
38.实施结果：使用扫描电镜观察钎焊连接后接头附近微观组织，如图2所示，可以看出焊缝内部除分布有固溶体组织外，在焊缝心部还生成了大面积的硼化物等脆性相，且存在明显的微裂纹缺陷。
39.性能检测
40.对实施例1-2和对比例1中经过真空钎焊处理后的焊接接头在730℃条件下进行高温拉伸试验，结果图表3所示。
41.表3钎焊接头730℃条件下抗拉强度测试结果
42.样品抗拉强度/mpa均值/mpa实施例1340、346、329、337、325、348、352、324338实施例2342、333、353、350、337、348、322、360343对比例1244、266、251、239、283、263、291、256262
43.从表3中的多组力学性能测试结果可以看出，采用本发明钎焊工艺加工后的接头高温强度达到了340mpa，强度值在对比例1所用的传统真空钎焊工艺基础上提升了30％。
44.镍基高温合金真空钎焊所用的镍基钎料中含有大量硅、硼等降熔元素，如果工艺参数控制不当，则在焊缝内部易形成硼化物等脆性相。尽管真空钎焊之后钎焊组件的冷却速率较慢，但由于这些脆性相的韧性较差，焊接形成的热应力得不到释放，导致焊缝内部易萌生微裂纹缺陷。本发明通过长时间钎焊保温工艺，可以促进钎料与母材合金之间元素的相互扩散，避免硼化物等脆性相析出，进而减少甚至消除了焊后微裂纹缺陷，提升钎焊接头力学性能。
45.此外，γ
′
相作为镍基高温合金中的主要强化相，在钎焊之后的缓冷过程中极易发生粗化，导致合金力学性能下降。本发明在延长钎焊保温时间的基础上，增加了焊后合金的冷却速率，不仅焊缝内部未形成微裂纹等缺陷，而且有利于合金内形成细小弥散分布的γ
′
相，为后续时效处理打下良好基础。
46.除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。