CN117817185A - 一种镍基粉末钎料及其制备方法和在同质合金或异质合金连接中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍基粉末钎料及其制备方法和在同质合金或异质合金连接中的应用，属于高温钎焊材料技术领域。该钎料化学成分(wt.％)：Co 8.0～12.0％，Cr 8.0～12.5％，W 2.0～6.0％，Mo 1.3～3.5％，Al 1.5～6.5％，Si 0～4.0％，B 0.5～1.8％，Nb 0～5.0％，C 0～0.3％，Ni余量。该钎料采用气体雾化法制备，用于合金钎焊连接。钎焊温度为1200～1300℃，钎焊时间为10～90分钟。本发明解决了高温合金钎焊连接接头的承温性问题，以及高温合金与耐磨合金之间的高性能连接问题，对于需要处于高温服役环境下的零件的连接具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及高温钎焊材料技术领域，具体涉及一种镍基粉末钎料及其制备方法和在同质合金或异质合金连接中的应用，该钎料适用于高温合金母材或高温合金与耐磨合金母材的真空钎焊连接。
背景技术
高温合金是指能够在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的高合金化铁基、镍基或钴基奥氏体金属材料，自问世至今，已广泛应用于航空发动机及各种工业燃气轮机的热端零部件中。然而，由于涡轮叶片、导向叶片等零件在设计上采用了复杂的内部冷却结构，单凭精密铸造技术难以实现其最终结构，需要以可靠的钎焊连接技术对高温合金叶片及其他高温合金零部件进行高性能连接。此外，涡轮叶片的叶冠接触面易发生严重磨损，也需要通过可靠的异质材料钎焊连接技术将耐磨合金材料钎焊到叶冠处以降低磨损。
近年来由于叶片材料的更新、结构的改变和叶片使役环境的愈发严苛，叶片盖板及耐磨块开裂情况频发，现有的高温钎焊材料已难以满足其使用需求，故急需研发更适合高温钎焊的具有优异高温性能的新型高温钎焊材料，以解决高温合金材料的高性能钎焊连接以及高温合金材料与耐磨合金材料的高性能钎焊连接问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基粉末钎料及其制备方法和在同质合金或异质合金连接中的应用，所制备的粉末钎料主要应用于高温钎焊(1200～1300℃)，可有效解决在苛刻环境工作的同质(同种高温合金)或异质合金(高温合金与耐磨合金)零部件的连接问题，具有重要的应用价值。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种镍基粉末钎料，该钎料是镍基合金粉末；按重量百分含量计，该钎料的化学成分为：Co 8.0～12.0％，Cr 8.0～12.5％，W 2.0～6.0％，Mo 1.3～3.5％，Al 1.5～6.5％，Si 0～4.0％，B 0.5～1.8％，Nb 0～5.0％，C 0～0.3％，Ni为余量；其中：所述粉末钎料为球形或近球形，颗粒度不大于100目。
所述粉末钎料的制备过程包括如下步骤：
(1)按照所述钎料的成分配料，采用真空感应炉熔炼出钎料的母合金锭，熔炼工艺为：1450～1570℃保温1～5min，1390～1490℃浇注。
(2)通过气体雾化法将母合金锭制备成合金粉末，所述气体雾化法的工艺参数为：喷粉温度1400～1550℃，质量流率为2～6kg/min，喷粉气体为氩气，喷粉压力3～10MPa；
(3)将所制备的合金粉末筛出不大于100目的合金粉末，即获得所述粉末钎料。
所述粉末钎料合金应用于同质合金或异质合金的钎焊连接，同质合金是指同种高温合金，异质合金是指高温合金材料与耐磨合金；所述耐磨合金如Ni3Al基耐磨合金；Co-Cr-Mo、Co-Cr-W、Co-Nb-Cr等钴基耐磨合金；WC耐磨合金。
钎焊连接过程中，利用水性或油性粘结剂将钎料合金粉末调配成膏状后施加于样品的待焊部位，将样品放置于真空钎焊炉内进行钎焊连接，钎焊保温时间为10～90分钟。高温合金钎焊接头在980℃条件下的抗拉强度不低于600MPa；高温合金与耐磨合金钎焊接头在980℃条件下的抗拉强度不低于200MPa。
本发明设计思想及原理如下：
传统高温合金钎焊在焊后冷却过程中焊缝残余液相凝固后易形成大量镍硅化物、M23B6和M5B3型硼化物等低熔点共晶组织及孔洞、裂纹等焊接缺陷。这些低熔点组织和焊接缺陷在愈发高的接头使用温度与性能要求下将成为影响接头可靠性的薄弱环节，尤其在热膨胀系数不同的异质合金母材钎焊时影响更甚。
针对以上问题，本发明采用镍为基体，加入多种合金元素来调控组织。钎焊降温过程中，源自钎料自身及母材扩散而来的高熔点元素如W、Mo等与Cr元素首先析出，与B元素结合后形成结构稳定的M3B2型高熔点硼化物，并持续长大，其反应过程为2B+W+Mo+Cr→(Cr、W、Mo)3B2，这一过程也是降熔元素B的快速消耗和焊缝整体承温能力的提高过程。本发明通过元素与工艺配合来调控这一阶段的组织形成：借助钎料本身添加的W、Mo等高熔点元素配以较高的钎焊温度加快母材中难熔元素向钎料的扩散和钎料中B元素向母材的扩散，使液态钎料获得更高的难熔元素浓度从而在此阶段借助扩散与反应大量消耗B元素以提升焊缝熔点和抑制下一阶段低熔点共晶组织的形成。随着凝固的继续进行，剩余液态钎料的成分发生显著变化，难熔元素被大量消耗，熔点较低的残余液相将在后续凝固过程中逐渐形成低熔点的硼化物、硅化物等共晶组织。为了避免这些不利于接头高温性能的低熔点共晶组织的形成，本发明的钎料中Si含量适中，在降温后期仍能令Si固溶于焊缝基体而不形成硅化物，但B元素由于在基体Ni中的溶解度很低，若降温后期液相中依然存在较多的B元素及硼化物形成元素，即使提高冷却速度也难以避免出现大量低熔点硼化物，况且较快的冷却速度也更容易导致接头开裂，尤其是在异质材料连接时。本发明中的钎料在钎焊时，已于M3B2相的长大阶段基本消除B元素，从源头上避免了低熔点共晶组织的出现，Cr元素也在凝固初期被大量消耗，剩余的Cr元素及Co、Mo、Al、Nb等元素继续与Ni元素形成焊缝基体。最终焊缝基体中Cr、Co等元素浓度与母材浓度接近，共同起到固溶强化焊缝及协调焊缝金属与母材的作用，焊缝中Al、Nb等元素通过沉淀强化作用提高接头的高温性能。当对热物性差异较大的材料钎焊时，焊缝的塑性、成分和组织协调性也尤为重要，本发明的钎料中加入了与母材基体含量相近的Co元素，没有加入易导致应力集中的Ti元素，在提升强度和耐磨性的同时，降低了焊缝开裂风险。
综上，针对高温合金接头及耐磨合金接头越来越高的使用温度与性能要求，本发明通过调配合金元素配比，借助钎焊凝固过程中液态钎料与母材合金的元素交互作用，调控焊缝组织，消除低熔点共晶，从而大幅提高接头的承温能力。
本发明的有益效果是：
采用本发明钎焊材料及钎焊工艺，所得钎焊接头的基体为镍基奥氏体，基体中固溶大量合金元素，部分合金元素以性质稳定的高熔点硼化物的形式在基体中析出，接头以固溶强化和沉淀强化为主要强化方式。钎料的流动性良好，对基材熔蚀较小，钎焊接头的高温力学性能明显高于传统钎焊接头，并且与传统钎焊材料相比，本发明的钎焊材料适用于同种高温合金材料的钎焊，也同样适用于高温合金与耐磨合金材料的钎焊，应用范围更加广泛。
附图说明
图1为镍基合金粉末钎料的外观形貌。
图2为实施例1中钎料粉末的DTA曲线。
图3为实施例1采用镍基粉末钎料钎焊DD419合金的接头显微组织。
图4为实施例1采用镍基粉末钎料钎焊DD419合金的接头抗拉强度。
图5为实施例2采用镍基粉末钎料钎焊DD419合金的接头显微组织。
图6为实施例2采用镍基粉末钎料钎焊DD419合金的接头抗拉强度。
图7为实施例3采用镍基粉末钎料钎焊DD426与Co-Nb-Cr合金的接头显微组织。
图8为实施例3采用镍基粉末钎料钎焊DD426与Co-Nb-Cr合金的接头抗拉强度。
图9为对比例1采用镍基粉末钎料钎焊DD419合金的接头显微组织。
图10为对比例1采用镍基粉末钎料钎焊DD419合金的接头抗拉强度。
图11为对比例2采用镍基粉末钎料钎焊DD5与MX25B合金的接头显微组织。
图12为对比例2采用镍基粉末钎料钎焊DD5与MX25B合金的接头抗拉强度。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
以下实施例中，通过气体雾化法将母合金锭制备成合金粉末，气体雾化法的工艺参数为：喷粉温度1480℃，质量流率为3.5kg/min，喷粉气体为氩气，喷粉压力5.5MPa。
实施例1
本实施例待焊母材为镍基高温合金DD419，该合金化学成分为(wt.％)：
Co 9.5％，Cr 6.3％，W 6.5％，Ta 6.6％，Al 5.5％，Re 3.1％，Ti 0.9％，Mo0.5％，Ni余量。
钎料化学成分为(wt.％)：
Co 9％，Cr 12.4％，W 4.5％，Mo 3.4％，Al 6％，Si 0.2％，B 0.8％，C 0.04％，Ni余量。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：1550℃保温3min→1480℃浇注；然后将熔炼好的合金锭通过气体雾化法制备成合金粉末，即将母合金锭重熔后形成液流，并用氩气冲击使之雾化成细小的液滴，快速冷却后形成合金粉末，并筛出不大于100目的粉末。所制备的镍基粉末钎料的形貌如图1所示，其为球形或近球形。本实施例中粉末钎料的DTA曲线如图2。
焊接前，将固溶态镍基高温合金DD419加工成的样品，使用800号砂纸打磨待焊面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用nicrobraz's'binder粘结剂将钎料粉末调和成膏状后施加于样品的待焊部位，在膏状钎料附近区域涂抹Nicrobraz White Stop Off Type II型阻焊剂防止钎焊过程中钎料流失，将样品放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊温度为1290℃，钎焊时间为90min，冷却至80℃以下后出炉，并进行时效处理。
图3是样品钎焊接头的显微组织，可以看出，焊缝组织致密，基体中分布着白色硼化物，未见缺陷和低熔点共晶组织；图4为连接后样品钎焊接头980℃拉伸性能测试结果。
实施例2
本实施例待焊母材为镍基高温合金DD419，该合金化学成分为(wt.％)：
Co 9.5％，Cr 6.3％，W 6.5％，Ta 6.6％，Al 5.5％，Re 3.1％，Ti 0.9％，Mo0.5％，Ni余量。
钎料化学成分为(wt.％)：
Co 9％，Cr 9％，W 4％，Mo 3.2％，Al 4.2％，Si 3.3％，B 1.2％，Nb1.5％，C0.15％，Ni余量。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：1540℃保温3min→1470℃浇注；然后将熔炼好的合金锭通过气体雾化法制备成合金粉末，即将母合金锭重熔后形成液流，并用氩气冲击使之雾化成细小的液滴，快速冷却后形成合金粉末，并筛出不大于100目的粉末。
焊接前，将固溶态钴基高温合金DD419加工成的样品，使用800号砂纸打磨待焊面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用nicrobraz's'binder粘结剂将钎料粉末调和成膏状后施加于样品的待焊部位，在膏状钎料附近区域涂抹Nicrobraz White Stop Off Type II型阻焊剂防止钎焊过程中钎料流失，将样品放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊温度为1240℃，钎焊时间为25min，冷却至80℃以下后出炉，并进行时效处理。
图5是样品钎焊接头的显微组织，可以看出，焊缝组织致密，基体中分布着白色硼化物，未见缺陷和低熔点共晶组织；图6为连接后样品钎焊接头980℃拉伸性能测试结果。
实施例3
本实施例待焊母材为镍基高温合金DD426与一种Co-Nb-Cr耐磨合金。
DD426合金化学成分为(wt.％)：
Co 9％，Cr 5％，W 12％，Al 6％，Ti 1.1％，Mo 1.1％，Nb 1.4％，C 0.15％，Ni余量。
Co-Nb-Cr耐磨合金的化学成分为(wt.％)：
Nb 26％，Cr 19％，Co余量。
钎料化学成分为(wt.％)：
Co 9％，Cr 8.5％，W 4％，Mo 1.7％，Al 4.5％，B 1％，Nb 3.7％，C 0.16％，Ni余量。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：1540℃保温3min→1470℃浇注；然后将熔炼好的合金锭通过气体雾化法制备成合金粉末，即将母合金锭重熔后形成液流，并用氩气冲击使之雾化成细小的液滴，快速冷却后形成合金粉末，并筛出不大于100目的粉末。
焊接前，将固溶态DD426与Co-Nb-Cr耐磨合金分别加工成的样品，使用800号砂纸打磨待焊面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用nicrobraz's'binder粘结剂将钎料粉末调和成膏状后施加于样品的待焊部位，在膏状钎料附近区域涂抹Nicrobraz White Stop Off Type II型阻焊剂防止钎焊过程中钎料流失，将样品放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊温度为1220℃，钎焊时间为12min，冷却至80℃以下后出炉，并进行时效处理。
图7是样品钎焊接头的显微组织，焊缝左侧为Co-Nb-Cr耐磨合金，焊缝右侧为DD426合金，可以看出，焊缝组织致密，基体中分布着白色硼化物，未见缺陷和低熔点共晶组织；图8为连接后样品钎焊接头980℃拉伸性能测试结果。
对比例1
本对比例待焊母材为镍基高温合金DD419，该合金化学成分为(wt.％)：
Co 9.5％，Cr 6.3％，W 6.5％，Ta 6.6％，Al 5.5％，Re 3.1％，Ti 0.9％，Mo0.5％，Ni余量。
钎料化学成分为(wt.％)：
Co 8％，Cr 11％，W 7％，Mo 3％，Al 5％，Si 0.2％，B 0.4％，Nb 0.2％，C 0.1％，Ni余量。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：1550℃保温3min→1480℃浇注；然后将熔炼好的合金锭通过气体雾化法制备成合金粉末，即将母合金锭重熔后形成液流，并用氩气冲击使之雾化成细小的液滴，快速冷却后形成合金粉末，并筛出不大于100目的粉末。
焊接前，将固溶态镍基高温合金DD419加工成的样品，使用800号砂纸打磨待焊面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用nicrobraz's'binder粘结剂将钎料粉末调和成膏状后施加于样品的待焊部位，在膏状钎料附近区域涂抹Nicrobraz White Stop Off Type II型阻焊剂防止钎焊过程中钎料流失，将样品放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊温度为1290℃，钎焊时间为60min，冷却至80℃以下后出炉，并进行时效处理。
图9是样品钎焊接头的显微组织，可以看出，焊缝中出现多处孔洞缺陷；图10为连接后样品钎焊接头980℃拉伸性能测试结果。
对比例2
本对比例待焊母材为镍基高温合金DD405与耐磨合金MX25B。
DD405合金化学成分为(wt.％)：
Cr 7％，Co 8％，W 5％，Al 6％，Ta 6.3％，Mo 1.7％，Re 3％，Hf 0.1％，Ni余量。
MX25B合金的化学成分为(wt.％)：
Cr 5％，Al 10％，Ti 2％，W 3％，Ni余量。
钎料化学成分为(wt.％)：
Co 11％，Cr 12％，W 3.5％，Mo 0.3％，Al 2％，Si 5％，B 1.3％，Nb1％，C 0.2％，Ni余量。
钎料制备方法：将纯度大于99.99％的原材料按比例配好后放入真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭，熔炼工艺为：1530℃保温3min→1450℃浇注；然后将熔炼好的合金锭通过气体雾化法制备成合金粉末，即将母合金锭重熔后形成液流，并用氩气冲击使之雾化成细小的液滴，快速冷却后形成合金粉末，并筛出不大于100目的粉末。
焊接前，将固溶态镍基高温合金DD405与MX25B耐磨合金加工成的样品，使用800号砂纸打磨待焊面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，使用nicrobraz's'binder粘结剂将钎料粉末调和成膏状后施加于样品的待焊部位，在膏状钎料附近区域涂抹Nicrobraz White Stop Off Type II型阻焊剂防止钎焊过程中钎料流失，将样品放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊温度为1180℃，钎焊时间为30min，冷却至80℃以下后出炉，并进行时效处理。
图11是样品钎焊接头的显微组织，可以看出，焊缝内出现多处孔洞缺陷及大量低熔点共晶组织；图12为连接后样品钎焊接头980℃拉伸性能测试结果。
由上述实施例1-3中样品钎焊接头的显微组织图中可以看出，焊缝基体组织均匀致密，未见明显焊接缺陷及低熔点共晶组织，部分难熔元素在过饱和状态下以硼化物的形式在焊缝基体中析出。由上述实施例1-3中钎焊连接后样品的980℃拉伸性能测试结果可以看出，钎焊连接后接头的高温强度较高，高温合金钎焊接头在980℃测试条件下的抗拉强度不低于600MPa，高温合金与耐磨合金钎焊接头在980℃测试条件下的抗拉强度不低于200MPa，这说明与传统钎料相比，本发明的钎料更适用于高温服役环境下的零件的高性能连接。
由上述对比例1-2中样品钎焊接头的显微组织图可以看出，相较于实施例1-3，其钎焊接头中均存在较多焊接缺陷，其中对比例2的钎焊接头还存在大量低熔点共晶组织，这均会导致接头的高温性能降低。由对比例1-2中连接后样品拉伸性能测试结果可以看出，高温合金钎焊接头在980℃测试条件下的抗拉强度不足600MPa，高温合金与耐磨合金钎焊接头在980℃测试条件下的抗拉强度不足200MPa，这说明钎料成分超出本钎料成分限范围或钎焊温度超出本钎料规定钎焊温度范围，都无法满足接头的抗拉强度要求。
Claims (7)
1.一种镍基粉末钎料，其特征在于：该钎料为镍基合金粉末；按重量百分含量计，该钎料的化学成分如下：
Co 8.0～12.0％，Cr 8.0～12.5％，W 2.0～6.0％，Mo 1.3～3.5％，Al 1.5～6.5％，Si0～4.0％，B 0.5～1.8％，Nb 0～5.0％，C 0～0.3％，Ni为余量。
2.根据权利要求1所述的镍基粉末钎料，其特征在于：所述粉末钎料为球形或近球形，颗粒度不大于100目。
3.根据权利要求1所述的镍基粉末钎料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)按照所述钎料的成分配料，采用真空感应炉熔炼出钎料的母合金锭；
(2)通过气体雾化法将母合金锭制备成合金粉末，所述气体雾化法的工艺参数为：喷粉温度1400～1550℃，质量流率为2～6kg/min，喷粉气体为氩气，喷粉压力3～10MPa；
(3)将所制备的合金粉末筛出不大于100目的合金粉末，即获得所述粉末钎料。
4.根据权利要求3所述的高温合金连接及耐磨合金连接用镍基粉末钎料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述熔炼过程为：1450～1570℃保温1～5min，1390～1490℃浇注。
5.根据权利要求1所述的镍基粉末钎料在同质合金或异质合金连接中的应用，其特征在于：所述粉末钎料应用于同种高温合金材料的钎焊连接，钎焊温度为1200～1300℃；或者，所述粉末钎料应用于高温合金材料与耐磨合金(如Ni3Al基耐磨合金；Co-Cr-Mo、Co-Cr-W、Co-Nb-Cr等钴基耐磨合金；WC耐磨合金)之间的钎焊连接，钎焊温度为1200～1300℃。
6.根据权利要求5所述的镍基粉末钎料在同质合金或异质合金连接中的应用，其特征在于：所述钎焊连接过程中，利用水性或油性粘结剂将钎料合金粉末调配成膏状后施加于样品的待焊部位，将样品放置于真空钎焊炉内进行钎焊连接，钎焊保温时间为10～90分钟。
7.根据权利要求6所述的镍基粉末钎料在同质合金或异质合金连接中的应用，其特征在于：所述钎焊连接后，高温合金钎焊接头在980℃条件下的抗拉强度不低于600MPa；高温合金与耐磨合金钎焊接头在980℃条件下的抗拉强度不低于200MPa。
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