CN109822248B - 一种用于薄壁结构的热等静压-钎焊复合成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热等静压成形和焊接领域，并公开了一种用于薄壁结构的热等静压‑钎焊复合成形方法。该方法包括下列步骤：（a）根据零件形状对薄壁结构进行加工处理，加工出下盖板和具有微孔道和抽气口的上盖板；（b）对上盖板和下盖板的待连接表面进行清洗、打磨和抛光处理；（c）将型芯材料填充至微孔道中；（d）将钎料置于上盖板和下盖板的待连接表面之间，固定，然后封装；（e）将封装后的上盖板和下盖板进行热等静压；（f）去除上盖板和下盖板的***焊接部分，去除型芯材料，以此获得薄壁构件。通过本发明，实现在低温下薄壁结构件与型芯的连接，连接处组织均匀，宏观偏析少。
Description
技术领域
本发明属于热等静压成形和焊接领域，更具体地，涉及一种用于薄壁结构的热等静压-钎焊复合成形方法。
背景技术
随着航空航天科技的迅猛发展，在一些关键部位对材料的要求越来越苛刻，由于长期工作在较高的温度环境下，要求材料具有良好的高温强度和疲劳性能以保证航空航天设备的安全性和稳定性。
航空航天发动机是火箭的“心脏”，其涡轮、机匣等关键零部件结构复杂，材料难以加工，导致成形制造难度大。随着航天技术的不断发展，对发动机推重比的要求不断提高，进一步提高了对材料的要求。发动机主要由涡轮、推进剂输送泵和燃烧室组成。涡轮材料主要有镍基合金、钴基合金和钛合金。相比于涡轮和推进剂输送泵，燃烧室的环境更为严酷，室内燃烧温度可达到3000℃以上。在这种高温条件下，任何材料都会发生软化或者是熔化，只有对燃烧室以及燃气出口处进行冷却才能保证材料有必要的强度。对于液体燃料发动机，常采用多孔流道结构的材料作为安装板，利用自身低温液体燃料以增加冷却效果。除此之外，有些航空器的外蒙皮以及喷管也会采用这种结构，这些关键部位零件一般为多层结构，内部具有复杂流道，同时尺寸较大。在加工成形这些零件时，常采用激光焊接、真空钎焊等工艺，但是对于这种零件，采用这两种焊接对加工和装配的精度要求较高，比如真空钎焊，要求焊接间隙在0.1mm左右，而对于复杂、大型结构有难以保证焊接质量，常出现焊瘤、夹渣等缺陷，并且复杂结构的空间也难以满足工艺要求。
为了解决上述存在的问题，提出了采用热等静压-钎焊复合（HIP-BRAZING）成形的工艺。热等静压技术最早用于铸件的致密化处理，通过热等静压处理可以有效的消除铸件内的缺陷和孔隙。利用热等静压进行扩散连接也是热等静压的另一重要应用，在高温高压作用下，两种不同的材料如金属-金属、金属-非金属、非金属-非金属，表面原子快速移动，局部发生塑性变形，在界面处形成新的扩散层，从而实现可靠连接。但直接使用热等静压进行扩散链接所需的温度较高，对基体本身材料有影响，因此限制了其应用，为了降低扩散连接所需要的温度，同时获得良好的连接界面，因此提出了本发明的加工方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于薄壁结构的热等静压-钎焊复合成形方法，用于连接同种或异种材料，形成焊接部位性能优良的具有内部复杂流道的多层薄壁结构的零部件，其中，通过利用热等静压高温高压的条件，使具备有内部复杂流道结构的板材进行扩散连接，而为了降低热等静压温度对薄壁结构板材组织和性能的影响，在薄壁结构和型芯之间填充熔点较低的钎料，在较低的温度下和一定的压力条件下实施热等静压，使薄壁结构和型芯均与钎料之间发生原子充分扩散，从而实彼此之间的连接，由此解决薄壁结构难以连接以及连接时热等静压温度高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于薄壁结构的热等静压-钎焊复合成形方法，该方法包括下列步骤：
（a）根据零件形状对薄壁结构进行加工处理，加工出下盖板和具有微孔道和抽气口的上盖板，所述薄壁结构的材料为钛合金或镍基高温合金材料；
（b）对所述上盖板和下盖板的待连接表面进行清洗、打磨和抛光处理；
（c）将型芯材料按照一定比例配成胶状体，并填充到所述上盖板的微孔道中，所述型芯材料为水溶性氧化钙基复合材料；
（d）将钎料置于填充了所述型芯材料的上盖板和下盖板的待连接表面之间，用定位销将所述上盖板和下盖板进行固定，然后沿着所述上盖板和下盖板的缝隙进行焊接；将抽气管焊接到所述上盖板的抽气口，先在室温下进行抽气，待真空度达到0.1Pa以下时对所述上盖板和下盖板进行加热，加热温度为300～400℃，待真空度达到10-3Pa～10-4Pa对所述抽气管进行封焊；
（e）将封装后的所述上盖板和下盖板进行热等静压，当所述薄壁结构的材料为镍基高温合金时，所述热等静压的保温温度为950℃～1100℃，压力为10MPa～40MPa，当所述薄壁结构的材料为钛合金时，所述热等静压的保温温度为800℃～950℃，压力为10MPa～40MPa；
（f）利用线切割方法去除所述上盖板和下盖板的***焊接部分，用水或者稀酸对所述上盖板和下盖板进行清洗，以去除型芯材料，以此获得薄壁构件。
进一步优选地，当所述薄壁结构的材料为钛合金时，所述钎料的材料采用Al-Mn、Ti-Zr-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu，厚度为50μm～100μm；当所述薄壁结构的材料为镍基高温合金时，所述钎料的材料为Ti-Cu-Ni、Ti-Zr-Be或镍箔，厚度为50μm～100μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用热等静压的方式将薄壁结构和型芯连接，在该过程中，在高温高压耦合作用下，薄壁结构和型芯分别与钎料的原子之间发生扩散连接，发生了冶金结合，使得获得的焊接头组织均匀，连接性能良好，同时在较高的温度和压力下，避免连接部位产生气孔等影响连接头质量的缺陷，保证了最终获得的零件产品质量；
2、本发明通过采用选择了容易加工的金属材料体系或者是采用熔点较高的氧化物体系作为型芯，便于后期型芯的去除，同时，采用的钎料为熔点低的合金，以此降低热等静压的温度，使得在较低的温度下实现薄壁结构和型芯的连接；
3、本发明根据选择的薄壁结构的材料不同，选择不同的热等静压温度不同，但整体热等静压的温度较低，对薄壁结构材料和型芯本身组织影响不大，和传统焊接工艺相比，该成形方法所获得的组织更为均匀，宏观偏析较少。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的薄壁结构的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的薄壁结构、钎料和型芯的叠放示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的热等静压工艺图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-定位销，2-上盖板，3-微孔道，4-抽气口，5-下盖板，6-钎料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的一种具有多层薄壁结构的热等静压和钎焊复合成形工艺，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1、根据零件形状对薄壁结构进行加工处理，本实施例采用的薄板材，如图1所示，所述薄壁结构作为基体材料，其材料为钛合金或镍基高温合金材料，例如：TC4、Inconel718、FGH97等。
2、根据所需成形的薄壁结构，利用三维建模软件设计出相应的型芯。
对于具有复杂结构的零件，合理的结构优化以及型芯设计十分重要，对于一些容易产生缺陷的部位，应该对其结构进行优化设计，以提高零件产品的质量，常常采用Pro/E、SolidWorks等软件进行模拟优化，大大减少了型芯设计周期。
型芯材料体系的选择：
对于钛合金基体材料，进行扩散连接的温度为650～850℃，为了便于后续型芯的去除，可以选用水溶性氧化钙基复合材料，其具体成分为氧化钙（CaO）+氯化钠（NaCl）+聚乙烯吡咯烷酮（PVP）+丙三醇（C3H8O3）；其中CaO熔点为2580℃，在热等静压扩散连接温度下具有一定的强度，可为工件提供一定的控形作用，NaCl熔点为801℃，在扩散连接温度下可以作为高温下CaO的连接剂，同时NaCl可溶于水，利于后续的去除，PVP和丙三醇的作用在于可以在常温下使NaCl和CaO的混合粉末形成粘稠的浆料，便于其在型腔中的填充；在抽气过程中PVP和C3H8O3在高温作用下发生分解而排出工件外；
对于镍基高温合金基体材料体系，进行扩散连接的温度为900～1100℃，仍可以选用水溶性氧化钙基复合材料，在此温度区间，NaCl完全融化，不利于基体材料和钎料之间进行扩散连接。此时型芯材料具体成分为氧化钙（CaO）+（铁粉+石墨粉）+聚乙烯吡咯烷酮（PVP）+丙三醇（C3H8O3）。
3、选择合适的钎料。本发明中采用薄层状的固体钎料，厚度选择50～100μm。
在扩散连接中，采用低熔点的钎料可以降低热等静压温度，从而可以在保证连接头质量的情况下减少热等静压温度对基体材料组织和性能的影响。同时钎料材料体系的选择方面，应选择和基体材料元素相近的材料，以减轻由于元素含量变化对连接头处组织的均匀性和稳定性造成影响。
钎料材料体系的选择：
对于钛合金基体材料，进行扩散连接的温度为650～850℃，可以使用铝基或者钛基钎料，如Al-Mn，Ti-Zr-Cu-Ni，Ti-Zr-Cu。
对于镍基高温合金基体材料体系，进行扩散连接的温度为900～1100℃，可以使用钛基钎料或者含镍量较高的钎料，如Ti-Cu-Ni，Ti-Zr-Be，或者镍箔。
4、将薄壁结构件、钎料和型芯进行装配，如图2所示。
由于扩散连接对零件表面质量要求高，在装配前对零件表面进行抛光处理，去除表面氧化层以及杂物，并用无水乙醇或丙酮清洗表面，以提高扩散连接质量。
5、在上下盖板之间使用TIG焊进行焊接，对工件进行抽气处理，同时进行加热处理，以排除工件间残存的气体，待包套中真空度达到一定程度后进行封焊处理。
具体的，利用定位销将上下盖板将钎料和型芯材料进行工装后，固定上下盖板并压实，沿着上下盖板缝隙对其进行焊接；将抽气管焊接到工件的抽气口，以便于工件的抽气；对工件进行抽气处理，先在室温下进行抽气，待真空度达到0.1Pa以下时对工件进行加热处理，加热温度为300～400℃，以尽可能排除粉末颗粒间的残存的气体，待真空度达到一定程度后（真空度为10-3～10-4Pa时）对抽气管进行封焊。
6、采用同时升温升压的热等静压处理工艺对上述封装工件进行热等静压处理。如图3所示，在热等静压处理过程中，原子发生扩散并紧密连接，低熔点的钎焊材料为基体间的连接提供了有利条件。
采用热等静压进行扩散连接所使用的温度，应根据基体的材料体系进行确定，若基体合金为镍基高温合金，保温温度为950～1100℃，压力为10-40MPa；若基体合金为钛合金，保温温度为800～950℃，压力为10～40MPa。
7、采用机加工方法对工件边缘部分进行切除，同时采用水或者是稀酸震动清洗，对型芯进行去除。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实例采用TC4合金材料作为基体材料，由于钛合金具有优异的性能，在航空航天以及民用领域均具有广泛的应用。由于TC4相变点温度为950～990℃，钎料体系选用Ti-Zr-Cu-N，熔化温度为770～820℃，热等静压扩散连接温度选择为800℃，压力选择为20Mpa。根据上述参数利用本发明的方法成形具有微小流道的平板薄壁零件。具体步骤如下：
1、根据所需成形的零件结构设计出相应的热等静压工艺方案，由于采用热等静压进行扩散连接，材料基体本身可作为传递压力和温度的包套。根据零件的结构，对需要进行扩散连接的板材进行加工处理；
2、对扩散连接表面进行清洗、打磨、抛光处理；
3、将氧化钙（CaO）+氯化钠（NaCl）+聚乙烯吡咯烷酮（PVP）+丙三醇（C3H8O3）按照一定比例配成胶状体，并填充到步骤 1加工好的材料的型腔中；
4、使用Ti-Zr-Cu体系钎料，并将钎料均匀铺在需要进行扩散连接的两表面之间，并进行焊接；
5、将工装好的零件进行加热并抽真空，待真空度达到10-3Pa时，进行封装；
6、进行热等静压，保温温度为800～950℃，压力为10～40MPa，保温时间为1h；
7、利用线切割方法去除工件***焊接部分，用水或者稀盐酸对工件进行清洗，以去除型芯材料。
实施例2
随着航空航天技术的发展，航空发动机推重比越来越大，其进口温度也随之提高。镍基合金作为一种优秀的高温合金，现代燃气涡轮发动机有 50%以上材料采用高温合金，其中镍基材料占 40%左右。镍基合金作为常用发动机热端部件材料，在中、高温度条件下具有优异的综合性能。燃烧室作为发动机的动力来源，其工作环境最为苛刻，环境温度高，有效的冷却尤为重要，采用具有管道结构的薄壁材料作为燃烧室内壁可以提高冷却效果。本实例使用Inconel718高温镍基合金，由于镍基高温合金熔点较高，故热等静压扩散连接温度选择为1000℃，钎料体系采用纯镍箔厚度为25μm，型芯材料体系为氧化钙（CaO）+（铁粉+石墨粉）+聚乙烯吡咯烷酮（PVP）+丙三醇（C3H8O3），热等静压保温保压时间为1h，根据上述参数利用本发明成形，具体步骤如下：
1、根据所需加工成形的结构对镍基高温合金板材进行相应的加工处理；
2、对扩散连接表面进行清洗、打磨、抛光处理；
3、将氧化钙（CaO）+（铁粉+石墨粉）+聚乙烯吡咯烷酮（PVP）+丙三醇（C3H8O3）按照一定比例配成胶状体，并填充到步骤 1加工好的材料的型腔中；
4、将纯镍箔平铺到需要进行扩散连接的两表面之间，并进行焊接；
5、将工装好的零件进行加热并抽真空，待真空度达到10-3Pa时，进行封装；
6、进行热等静压，保温温度为950～1100℃，压力为10～40MPa，保温时间为1h；
7、利用线切割方法去除工件***焊接部分，用稀硫酸对工件进行清洗，以去除型芯材料。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于薄壁结构的热等静压-钎焊复合成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
（a）根据零件形状对薄壁结构进行加工处理，加工出下盖板和具有微孔道和抽气口的上盖板，所述薄壁结构的材料为钛合金或镍基高温合金材料；
（b）对所述上盖板和下盖板的待连接表面进行清洗、打磨和抛光处理；
（c）将型芯材料按照一定比例配成胶状体，并填充到所述上盖板的微孔道中，所述型芯材料为水溶性氧化钙基复合材料；
（d）将钎料置于填充了所述型芯材料的上盖板和下盖板的待连接表面之间，用定位销将所述上盖板和下盖板进行固定，然后沿着所述上盖板和下盖板的缝隙进行焊接；将抽气管焊接到所述上盖板的抽气口，先在室温下进行抽气，待真空度达到0.1Pa以下时对所述上盖板和下盖板进行加热，加热温度为300～400℃，待真空度达到10-3Pa～10-4Pa对所述抽气管进行封焊；
（e）将封装后的所述上盖板和下盖板进行热等静压，当所述薄壁结构的材料为镍基高温合金时，所述热等静压的保温温度为950℃～1100℃，压力为10MPa～40MPa，当所述薄壁结构的材料为钛合金时，所述热等静压的保温温度为800℃～950℃，压力为10MPa～40MPa；
（f）利用线切割方法去除所述上盖板和下盖板的***焊接部分，用水或者稀酸对所述上盖板和下盖板进行清洗，以去除型芯材料，以此获得薄壁构件。
2.如权利要求1所述的一种用于薄壁结构的热等静压-钎焊复合成形方法，其特征在于，当所述薄壁结构的材料为钛合金时，所述钎料的材料采用Al-Mn、Ti-Zr-Cu-Ni或Ti-Zr-Cu，厚度为50μm～100μm；当所述薄壁结构的材料为镍基高温合金时，所述钎料的材料为Ti-Cu-Ni、Ti-Zr-Be或镍箔，厚度为50μm～100μm。
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