CN114769772A - 一种提升gh3536/gh4738合金接头强度的真空钎焊方法 - Google Patents

一种提升gh3536/gh4738合金接头强度的真空钎焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高温合金焊接技术领域，涉及一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法，包括以下步骤：1)准备并清理待焊接合金；2)装配定位，将接头间隙大小设定在30‑50μm范围；3)涂敷熔点为980‑1000℃的镍基钎料；4)真空钎焊：将准备好的待钎焊组件置于真空钎焊炉中，在1020‑1040℃保温8‑15min进行真空钎焊。本发明所述的真空钎焊方法，工艺简单合理，焊后焊缝组织均匀，合金溶蚀缺陷少，在提升接头强度方面具有意想不到的效果。采用本发明真空钎焊方法加工后，接头高温强度值在原有工艺的基础上提升了65％，解决了GH3536/GH4738钎焊组件不能满足在高温条件下长期稳定服役的技术难题。

Description

一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法
技术领域
本发明属于高温合金焊接技术领域，特别涉及一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法。
背景技术
航空发动机又被称为“工业之花”，是一种高度复杂和精密的热力机械，也是促进航空事业发展的重要推动力。高温合金以其优异的高温强度及组织稳定性从众多材料中脱颖而出，在发动机中被大量使用。其中，镍基变形高温合金的强度高，塑性好，可加工成结构复杂的构件，在高温合金领域具有不可替代的重要地位。
镍基变形高温合金牌号较多，不同牌号的合金，其特点及性能也不尽相同。为兼顾不同合金的优点，高温合金零部件在生产过程中有时需将异种牌号合金通过焊接的方式连接起来。电弧焊、电子束焊、激光焊等熔焊方法是镍基变形高温合金常用的焊接工艺，但熔焊焊接时焊缝部位的合金会熔化并再结晶，从而破坏母材合金的组织均匀性，且熔焊焊接温度高，焊后热应力值较大。真空钎焊是在真空条件下靠熔化的钎料形成焊缝从而实现连接，焊接温度相对较低，对母材合金微观组织影响较小，且焊后合金表面质量高，具有良好的发展和应用前景。
GH3536和GH4738均为典型的常用镍基变形高温合金，其中前者冷热成形性能突出，主要通过Cr、Mo等元素固溶强化获得优异的高温强度；后者强韧性匹配良好，主要通过γ′相析出强化。某型号发动机在生产过程中需通过真空钎焊的方法连接上述两种合金，而当前工艺存在焊后接头强度值低，钎焊组件服役寿命短的技术难题。虽然针对镍基高温合金真空钎焊的研究已有很多，但对于解决当前问题的参考意义不大。例如，专利(CN103624353B)提出了一种针对DD5单晶镍基高温合金的真空钎焊方法，适用范围较窄。专利(CN110394522B)提出了一种变形镍基合金与铸造Ni3Al基合金的钎焊工艺，焊后接头成分均匀，残余应力值低，但该方法钎焊保温温度较高，不适用于当前合金体系。因此研究GH3536和GH4738合金的真空钎焊工艺，实现两种合金之间高强度和高可靠连接，一方面可以突破当前制造工艺的瓶颈，另一方面可为复杂高温合金构件的高品质连接提供理论依据，极具实用价值。
发明内容
针对当前工艺存在的不足，本发明通过优化真空钎焊的关键工艺参数，实现了GH3536与GH4738合金之间的高强度连接。该方法在原有设备基础上无需增加额外新的设备，是一种低成本、易操作的连接方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法，按照以下步骤进行：
步骤1，焊前准备：将待焊接的GH3536与GH4738合金加工成所需尺寸，然后对合金进行表面处理；
步骤2，装配定位：在夹具上使用储能点焊法将待焊合金装配定位，其中钎焊接头间隙值由待焊合金之间夹放镍片的厚度值控制，具体间隙大小为30-50μm；
步骤3，预置钎料：使用涂敷器将膏状钎料涂敷至焊缝周围，钎料用量要足够填满接头间隙；所述膏状钎料由熔点为980-1000℃的镍基粉状钎料与粘结剂混合调配而成；
步骤4，真空钎焊：将准备好的待钎焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至10-3Pa以下；将组件先以5-20℃/min的速率加热至500-600℃，保温20-30min；再以5-15℃/min的速率加热至800-900℃，保温20-30min；然后以5-15℃/min的速率加热至1020-1040℃，保温8-15min进行真空钎焊；随炉缓冷至950℃后，炉内充高纯氩气将组件快速冷却至100℃以下后出炉。
进一步地，步骤1中对合金进行表面处理的具体方法为：依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊接合金表面，清除表面氧化皮并露出合金基体，然后使用酒精将合金清洗干净并吹干，去除油污及其他脏污。
进一步地，步骤3中所述镍基粉状钎料粒度为200-300目；以质量百分比计，其组成成分为：B：2.75-3.5％，Si：4-5％，Cr：6-8％，Fe：2.5-3.5％，Ni：余量。
进一步地，步骤4中所充高纯氩气压强为1-2bar。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将一定厚度的镍片夹放在待焊合金之间组成“三明治”结构，并通过改变镍片厚度将接头间隙值精确控制在30-50μm范围，在钎料与母材能够实现良好润湿的同时，避免了间隙值过大时焊缝中心位置硼化物等脆性有害相的析出，在提升接头强度方面具有意想不到的效果。
(2)本发明在使用熔点为980-1000℃的镍基钎料的基础上，将钎焊保温温度定为1020-1040℃，钎焊保温时间定为8-15min，该工艺在确保钎料流动性良好的同时，有效控制了高温条件下钎料内部Si、B等降熔元素向母材合金的扩散，减少了合金的溶蚀，有利于提升焊缝结合强度。
(3)本发明工艺简单、成本低，对于GH3536与GH4738合金的焊接效果显著。采用本发明工艺处理后，接头在730℃高温拉伸强度平均值可达435MPa，较工艺优化之前提升了60％以上。
附图说明
图1是本发明中GH3536与GH4738高温合金真空钎焊过程中温度与时间控制过程图。
图2是实施例1的钎焊接头微观组织照片。
图3是对比例1的钎焊接头微观组织照片。
具体实施方式
本发明经过大量试验摸索，得到一种新的提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法，具体包括以下步骤：
(1)焊前准备：将待焊接的GH3536与GH4738合金加工成所需尺寸，然后对合金进行表面处理。
该步骤表面处理的具体方法为：依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊接合金表面，清除表面氧化皮并露出合金基体，然后使用酒精将合金清洗干净并吹干，去除油污及其他脏污。
(2)装配定位：在夹具上使用储能点焊法将待焊合金装配定位，其中钎焊接头间隙值由待焊合金之间夹放镍片的厚度值控制，具体间隙大小为30-50μm。
由于钎焊是利用毛细作用使熔化的钎料流入接头间隙，正确选择间隙值大小是决定焊缝致密性的关键。间隙过小会导致钎料填充困难，降低焊缝致密性及接头强度值；间隙过大会破坏间隙的毛细作用而不利于钎料填满接头。此外，接头间隙较大时易在接头内部生成硼化物等脆性有害相。该步骤将接头间隙值精确控制在30-50μm范围，在钎料与母材能够实现良好润湿的同时，有利于焊缝内部生成均匀的固溶体组织，避免脆性相的析出，提升了接头强度。
(3)预置钎料：使用涂敷器将膏状钎料涂敷至焊缝周围，钎料用量要足够填满接头间隙；所述膏状钎料由熔点为980-1000℃的镍基粉状钎料与粘结剂混合调配而成。
该步骤所述镍基粉状钎料粒度为200-300目；以质量百分比计，其组成成分为：B：2.75-3.5％，Si：4-5％，Cr：6-8％，Fe：2.5-3.5％，Ni：余量。
(4)真空钎焊：将准备好的待钎焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至10-3Pa以下；将组件先以5-20℃/min的速率加热至500-600℃，保温20-30min；再以5-15℃/min的速率加热至800-900℃，保温20-30min；然后以5-15℃/min的速率加热至1020-1040℃，保温8-15min进行真空钎焊；随炉缓冷至950℃后，炉内充1-2bar的高纯氩气将组件快速冷却至100℃以下后出炉。
该步骤通过优化钎焊温度及保温时间，有效抑制了钎料内Si、B等降熔元素向母材合金的扩散，减少了合金的溶蚀，有利于提升焊缝结合强度。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。实施例中所用镍基粉状钎料粒度为250目，成分如下表1所示；实施例和对比例中所用合金样品尺寸均为
Figure BDA0003571449900000041
焊接面为圆形端面。
表1镍基粉状钎料成分(wt.％)
成分 B Si Cr Fe Ni
含量 2.9 4.6 7.1 2.8 余量
实施例1
步骤1：依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊接合金表面，清除表面氧化皮并露出合金基体，然后使用酒精将合金清洗干净并吹干，去除油污及其他脏污；
步骤2：在夹具上使用储能点焊法将待焊合金装配定位，其中钎焊接头间隙值大小为50μm；
步骤3：使用涂敷器将镍基粉状钎料与粘结剂混合调配而成的膏状钎料涂敷至焊缝周围，钎料用量要足够填满接头间隙；
步骤4：将准备好的待钎焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至10-3Pa以下；将组件先以15℃/min的速率加热至600℃，保温25min；再以10℃/min的速率加热至850℃，保温25min；然后以10℃/min的速率加热至1030℃，保温10min进行真空钎焊；随炉缓冷至950℃后，炉内充1.5bar高纯氩气将组件快速冷却至100℃以下后出炉。
图2为经过该真空钎焊工艺处理后接头附近微观组织形貌，可以看出焊缝内部组织由均匀分布的固溶体组成。
实施例2
步骤1：依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊接合金表面，清除表面氧化皮并露出合金基体，然后使用酒精将合金清洗干净并吹干，去除油污及其他脏污；
步骤2：在夹具上使用储能点焊法将待焊合金装配定位，其中钎焊接头间隙值大小为40μm；
步骤3：使用涂敷器将镍基粉状钎料与粘结剂混合调配而成的膏状钎料涂敷至焊缝周围，钎料用量要足够填满接头间隙；
步骤4：将准备好的待钎焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至10-3Pa以下；将组件先以10℃/min的速率加热至550℃，保温20min；再以10℃/min的速率加热至900℃，保温30min；然后以5℃/min的速率加热至1035℃，保温12min进行真空钎焊；随炉缓冷至950℃后，炉内充1bar高纯氩气将组件快速冷却至100℃以下后出炉。
对比例1
步骤1：依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊接合金表面，清除表面氧化皮并露出合金基体，然后使用酒精将合金清洗干净并吹干，去除油污及其他脏污；
步骤2：在待焊接合金之间夹放熔点为975℃的箔状镍基钎料，并用储能点焊法固定好合金。钎焊接头间隙值为100μm，由箔状钎料厚度值控制；
步骤3：将准备好的待钎焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至10-3Pa以下；将组件先以15℃/min的速率加热至600℃，保温25min；再以10℃/min的速率加热至900℃，保温25min；然后以8℃/min的速率加热至1045℃，保温10min进行真空钎焊；随炉缓冷至950℃后，炉内充1bar高纯氩气将组件快速冷却至100℃以下后出炉。
图3为经过该真空钎焊工艺处理后接头附近微观组织形貌，可以看出焊缝内部除固溶体组织外，焊缝中心区域还存在大面积的脆性相。
性能检测
对实施例1和对比例1经过真空钎焊加工的样品，在540℃条件下进行高温拉伸检测，抗拉强度测试结果如表2所示。
表2钎焊接头540℃条件下抗拉强度测试结果
样品 抗拉强度/MPa 均值/MPa
实施例1 428、419、415、439、452、449、437、443 435
对比例1 285、266、257、238、263、293、242、258 263
从测试结果可以看出，经本发明真空钎焊工艺处理后，接头高温抗拉强度均值可达435MPa，较原有工艺获得的强度值提升了65％，解决了实际生产过程中钎焊接头强度值低的技术难题。
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。

Claims (4)

1.一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，焊前准备：将待焊接的GH3536与GH4738合金加工成所需尺寸，然后对合金进行表面处理；
步骤2，装配定位：在夹具上使用储能点焊法将待焊合金装配定位，其中钎焊接头间隙值由待焊合金之间夹放镍片的厚度值控制，具体间隙大小为30-50μm；
步骤3，预置钎料：使用涂敷器将膏状钎料涂敷至焊缝周围，钎料用量要足够填满接头间隙；所述膏状钎料由熔点为980-1000℃的镍基粉状钎料与粘结剂混合调配而成；
步骤4，真空钎焊：将准备好的待钎焊组件置于真空钎焊炉中，抽真空至10-3Pa以下；将组件先以5-20℃/min的速率加热至500-600℃，保温20-30min；再以5-15℃/min的速率加热至800-900℃，保温20-30min；然后以5-15℃/min的速率加热至1020-1040℃，保温8-15min进行真空钎焊；随炉缓冷至950℃后，炉内充高纯氩气将组件快速冷却至100℃以下后出炉。
2.根据权利要求1所述的一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法，其特征在于，步骤1中对合金进行表面处理的具体方法为：依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊接合金表面，清除表面氧化皮并露出合金基体，然后使用酒精将合金清洗干净并吹干，去除油污及其他脏污。
3.根据权利要求1所述的一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法，其特征在于，步骤3中所述镍基粉状钎料粒度为200-300目；以质量百分比计，其组成成分为：B：2.75-3.5％，Si：4-5％，Cr：6-8％，Fe：2.5-3.5％，Ni：余量。
4.根据权利要求1所述的一种提升GH3536/GH4738合金接头强度的真空钎焊方法，其特征在于，步骤4中所充高纯氩气压强为1-2bar。
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