非晶态中间层及镍基单晶合金梯度TLP工艺的制作方法

本发明属于焊接材料
技术领域：
，具体涉及非晶态中间层及镍基单晶合金梯度TLP工艺。
背景技术：
：单晶镍基高温合金具有良好的热稳定性、热强性和高温组织稳定性能，已成为航空、航天发动机涡轮叶片的关键材料。高性能航空发动机叶片多用单晶镍基高温合金制备，且常设计成中空结构，以适应承受高温交变载荷及散热需要。这种复杂中空结构单晶合金器件不能使用现行风靡的3D打印增材技术制备，只能采用先进焊接方法获得。镍基高温合金的化学成分非常复杂，加入多种可形成耐热强化相元素及相稳定元素。铬作为相稳定性元素，在合金表面形成致密氧化膜，可提高合金的抗氧化能力。通过添加铝、钛、钴、钨、钼、钽、铌、铪等合金元素，产生固溶强化、第二相强化及晶界强化来实现合金的高温强度。单晶高温合金制备通常采用定向凝固技术。因此，单晶高温合金熔化焊易产生多晶化及焊缝热裂纹，钎焊接头强度低下并且耐高温性能较差。过渡液相扩散焊(TLP)焊兼具钎焊工艺便捷性与熔焊冶金结合高性能特点，是实现单晶高温合金焊接的有效方法。中间层合金成分对接头组织及性能影响较大，焊接工艺直接决定焊接质量优劣。技术实现要素：为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供用非晶态中间层及镍基单晶合金梯度TLP工艺，解决了现有技术中存在的焊接接头多晶化及性能不能满足技术要求的问题；具有耐高温强度、不产生产生多晶化及焊缝热裂纹的特点；使用该中间层合金TLP焊单晶镍基高温合金，采用梯度升温加速元素扩散，大大缩短焊接时间，压力作用下的梯度升温和保温，大大加速接头成分均匀化进程，缩短焊接时间，节能环保，制造成本大幅度降低。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：非晶态中间层，按按质量百分比，包括以下组分：B为2.8％-3.2％、Si为1.8％-2.4％、Nd为0.2％-0.4％、Co为2.0％-2.5％、Cr为1.5％-2.0％、W为2.0％-2.5％、Mo为1.0％-1.5％、余量为Ni。非晶态中间层的镍基单晶合金梯度TLP工艺，包括以下步骤：步骤1，将质量百分比为：B为2.8％-3.2％、Si为1.8％-2.4％、Nd为0.2％-0.4％、Co为2.0％-2.5％、Cr为1.5％-2.0％、W为2.0％-2.5％、Mo为1.0％-1.5％、余量为Ni制成的非晶态镍基合金中间层的合金箔材置于两个待焊的单晶镍基高温合金试样之间；步骤2，按照既定的TLP焊工艺对装配好了的接头进行压力作用下的梯度加热、保温和缓冷，实现单晶镍基高温合金的焊接；所述的TLP焊工艺工艺参数为：焊接温度1200±5℃，保温时间2.5～3.5h；焊后升温到1220±5℃，保温2.5～3.5h；然后继续升温至1240±5℃，并在此保温2.5～3.5h；焊接压力0.2-0.5MPa，真空度5×10-2Pa。非晶态中间层的镍基单晶合金梯度TLP工艺，加热规范为：以10℃/min的升温速度加热至1000℃，保温0.5小时；持续梯度升温到1200℃焊接温度后、再依次梯度升温、保温并随炉冷却。所述的非晶态中间层的镍基单晶合金梯度TLP工艺，所述的加热规范，其具体温度控制过程为：a区段为匀速加热阶段，加热速率为10℃/min；b区段为保温阶段，即在1000℃保温0.5小时；c区段为匀速加热阶段，加热速率为20℃/min；d区段为等温保温阶段，即在1200℃保温2.5～3.5h；e区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；f区段为保温阶段，即在1220℃保温2.5～3.5h；g区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；h区段为保温阶段，在1240℃保温2.5～3.5h；i区段为随炉冷却阶段。本发明所采用的另一技术方案是，非晶态中间层的镍基单晶合金梯度TLP工艺，先将该中间层合金应用急冷快速凝固技术制作为非晶态中间层合金箔材，再将非晶合金箔材置于两个待焊的单晶镍基高温合金试样之间，然后按照梯度升温TLP焊方法对装配好了的接头进行加热、保温和缓冷，从而实现单晶镍基高温合金的高性能焊接。本发明的有益效果是：该用于梯度升温TLP焊接的非晶态镍基合金中间层，制备方法简单，容易操作，成本较低；合金成分纯净均匀、耐腐蚀性强；加热过程释放晶化潜热而使焊接温度有所降低；固相线与液相线温差较小，与母材性能匹配性良好，易于获得优异高温性能的焊接接头。该TLP焊接工艺采用压力作用下的梯度加热和保温，可大大加速元素扩散，缩减成分均匀化时间，节能减排，焊接成本大幅度降低。附图说明图1是本发明方法实施例的单晶高温合金梯度升温TLP焊工艺规程。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明的非晶态镍基合金中间层，用于单晶镍基高温合金的TLP焊接，实施例1非晶态中间层，按按质量百分比，包括以下组分：B为2.8％、Si为1.8％、Nd为0.2％、Co为2.0％、Cr为1.5％、W为2.0％、Mo为1.0％、余量为Ni。实施例2非晶态中间层，按按质量百分比，包括以下组分：B为3.2％、Si为2.4％、Nd为0.4％、Co为2.5％、Cr为2.0％、W为2.5％、Mo为1.5％、余量为Ni。实施例3非晶态中间层，按按质量百分比，包括以下组分：B为3.0％、Si为2.1％、Nd为0.3％、Co为2.3％、Cr为1.8％、W为2.3％、Mo为1.3％、余量为Ni。本发明的镍基合金中间层成分中，各组分及含量限定理由是：欲获得组织及性能与母材金属相匹配的焊接接头，中间层合金所含的元素种类应与母材成分相似相近但成分含量略低于母材。TLP焊高温合金用中间层中含有W、Cr、Co、Mo、Nd、等元素。除此之外，焊接过程的进行必须以元素的扩散为前提，中间层中的降熔元素须兼备扩散速度快的特性。B、Si、Nd等作为组分中主要的降熔元素，其中，B的效果最好，Si和Nd元素的原子尺寸较大，扩散较慢，效果次之。合金元素含量的确定，除了满足焊缝与母材的性能匹配要求之外，还应考虑合金元素与降熔、扩散元素之间的相互作用。譬如，考虑到B元素的扩散效能，中间层合金中不加强硼化物形成的Al、Ti等元素。上述本发明非晶态中间层合金的制备方法是，应用高纯金属真空电弧炉熔配中间层母合金，单辊急冷快速凝固制备厚度30-80μm，宽5-8mm，长1-2m的非晶态中间层合金箔材。应用本发明的非晶态中间层合金箔材，采用TLP焊新工艺焊接单晶镍基高温合金试样，按照以下方法和步骤实施：先将非晶中间层合金箔材置于两个待焊的单晶镍基高温合金试样之间，然后按照既定TLP焊工艺对装配好了的接头进行真空炉中加热、保温、升温、保温和缓冷，从而实现单晶镍基高温合金的焊接。实施例4非晶态中间层，包括以下步骤：步骤1，将质量百分比为：B为2.8％、Si为1.8％、Nd为0.2％、Co为2.0％、Cr为1.5％、W为2.0％、Mo为1.0％、余量为Ni，制成的非晶态镍基合金中间层的合金箔材置于两个待焊的单晶镍基高温合金试样之间；步骤2，按照既定的TLP焊工艺对装配好了的接头进行压力作用下的梯度加热、保温和缓冷，实现单晶镍基高温合金的焊接；所述的TLP焊工艺工艺参数为：焊接温度1200℃，保温时间2.5h；焊后升温到1220℃，保温2.5h；然后继续升温至1240℃，并在此保温2.5h；焊接压力0.2MPa，真空度5×10-2Pa；加热规范为：以10℃/min的升温速度加热至1000℃，保温0.5小时；依次梯度升温、保温并随炉冷却至室温；所述的加热规范，其具体温度控制过程为：a区段为匀速加热阶段，加热速率为10℃/min；b区段为保温阶段，即在1000℃保温0.5小时；c区段为匀速加热阶段，加热速率为20℃/min；d区段为等温保温阶段，即在1200℃保温2.5～3.5h；e区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；f区段为保温阶段，即在1220℃保温2.5～3.5h；g区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；h区段为保温阶段，在1240℃保温2.5～3.5h；i区段为随炉冷却阶段。实施例5非晶态中间层的镍基单晶合金梯度TLP工艺，包括以下步骤：步骤1，将质量百分比为：B为3.2％、Si为2.4％、Nd为0.4％、Co为2.5％、Cr为2.0％、W为2.5％、Mo为1.5％、余量为Ni制成的非晶态镍基合金中间层的合金箔材置于两个待焊的单晶镍基高温合金试样之间；步骤2，按照既定的TLP焊工艺对装配好了的接头进行压力作用下的梯度加热、保温和缓冷，实现单晶镍基高温合金的焊接；所述的TLP焊工艺工艺参数为：焊接温度1205℃，保温时间3.5h；焊后升温到1225℃，保温3.5h；然后继续升温至1245℃，并在此保温3.5h；焊接压力0.5MPa，真空度5×10-2Pa；加热规范为：以10℃/min的升温速度加热至1000℃，保温0.5小时；依次梯度升温、保温并随炉冷却至室温；所述的加热规范，其具体温度控制过程为：a区段为匀速加热阶段，加热速率为10℃/min；b区段为保温阶段，即在1000℃保温0.5小时；c区段为匀速加热阶段，加热速率为20℃/min；d区段为等温保温阶段，即在1200℃保温2.5～3.5h；e区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；f区段为保温阶段，即在1220℃保温2.5～3.5h；g区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；h区段为保温阶段，在1240℃保温2.5～3.5h；i区段为随炉冷却阶段。实施例6非晶态中间层的镍基单晶合金梯度TLP工艺，包括以下步骤：步骤1，将质量百分比为：B为3.0％、Si为2.1％、Nd为0.3％、Co为2.3％、Cr为1.8％、W为2.3％、Mo为1.3％、余量为Ni制成的非晶态镍基合金中间层的合金箔材置于两个待焊的单晶镍基高温合金试样之间；步骤2，按照既定的TLP焊工艺对装配好了的接头进行压力作用下的梯度加热、保温和缓冷，实现单晶镍基高温合金的焊接；所述的TLP焊工艺工艺参数为：焊接温度1203℃，保温时间3.0h；焊后升温到1222℃，保温3.0h；然后继续升温至1243℃，并在此保温3.0h；焊接压力0.4MPa，真空度5×10-2Pa；加热规范为：以10℃/min的升温速度加热至1000℃，保温0.5小时；依次梯度升温、保温并随炉冷却至室温；所述的加热规范，其具体温度控制过程为：a区段为匀速加热阶段，加热速率为10℃/min；b区段为保温阶段，即在1000℃保温0.5小时；c区段为匀速加热阶段，加热速率为20℃/min；d区段为等温保温阶段，即在1200℃保温2.5～3.5h；e区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；f区段为保温阶段，即在1220℃保温2.5～3.5h；g区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；h区段为保温阶段，在1240℃保温2.5～3.5h；i区段为随炉冷却阶段。参照图1，是本发明单晶高温合金TLP焊新工艺规程，a、c、e、g区段为匀速加热阶段，加热速率均为10℃/min；b区段为保温阶段，即在1000℃保温0.5小时；d区段为等温凝固阶段，即在1200℃保温3.0h；f区段为保温阶段，即在1220℃保温3.0h；h区段为保温阶段，在1240℃保温3.0h；i区段为空冷阶段。单晶高温合金的TLP焊工艺参数为：焊接温度1200±5℃，保温时间2.5～3.5h(即d区段)；然后升温到1220±5℃保温2.5～3.5h(即f区段)；然后继续升温至1240±5℃，并在此保温2.5～3.5h(即h区段)；焊接压力0.2-0.5MPa，真空度5×10-2Pa。其中的加热规范为：以10℃/min的升温速度加热至1000℃，保温0.5小时；焊接温度1200±5℃，保温到设定时间后，再次升温、保温并空冷至室温。使用本发明的非晶中间层合金箔材进行单晶高温合金的TLP焊新工艺，在现有焊接工艺操作条件下附加了热压-梯度升温的扩散均匀过程，工艺简单，操作方便，过程简化，效率提高。尤其是焊接工艺稳定，焊接时间缩短，焊接质量易于保障，接头性能得以提升。表1、本方法实施例7-11中的各个组分及其含量表含量(wt％)BSiNdCoCrWMoNi实施例73.21.80.302.51.82.01.4余量实施例83.22.00.202.01.52.51.0余量实施例92.92.20.252.21.92.21.2余量实施例103.02.30.322.52.02.31.2余量实施例112.82.40.382.11.72.01.4余量实施例7依照表1中实施例7的数据称量各组分的高纯金属含量，应用真空电弧炉熔配中间合金和母合金，急冷快速凝固制备厚度为40μm，宽为6mm，长为1.5m的非晶态中间层合金箔材。本实施例7所制备得到的非晶态中间层合金的熔点为1041-1064℃。将该合金箔材应用于IC10单晶高温合金试样的TLP焊接，焊接工艺参数为：焊接温度1200℃，保温时间3.0h；焊后升温到1220℃保温3.0h；然后继续升温至1242℃，并在此保温2.5h；焊接压力0.3MPa，真空度5×10-2Pa；加热规范为：以10℃/min的升温速度加热至1000℃，保温0.5小时；焊接温度1200℃，依次升温、保温并空冷至室温，参照图1所示。获得的焊接接头组织与母材匹配性好，接头为单晶形态组织。实施例8依照表1中实施例8的数据称量各组分的高纯金属含量，应用真空电弧炉熔配中间合金和母合金，急冷快速凝固得到厚度为50μm，宽为5mm，长为2m的非晶态中间层合金箔材；本实施例8所制备得到的非晶态中间层合金的熔点为1051-1074℃。将该非晶中间层合金箔材应用于DD3镍基高温合金试样的TLP焊接，加热规范为：10℃/min升温到1000℃保温0.5小时；20℃/min升温到1200℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1220℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1240℃保温2.5～3.5h，随后随炉冷却至室温。参照图1所示。获得的焊接接头为单晶，与母材匹配性好。实施例9按照上述实施例9的步骤，依照表1中实施例9的数据称量各组分含量的高纯金属，熔配制备出厚度为60μm，宽8mm，长1m的急冷合金薄带。本实施例9所制备得到的非晶中间层合金的熔点为1063-1072℃。将本实施例9所制备得到的中间层合金箔材应用于DD6镍基高温合金试样的TLP焊接之中，焊接加热规范为：10℃/min升温到1000℃保温0.5小时；20℃/min升温到1200℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1220℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1240℃保温2.5～3.5h，随后随炉冷却至室温。参照图1所示。获得的焊接接头为单晶，组织与母材匹配性好。实施例10按照上述实施例7的步骤，依照表1中实施例10的数据称量各组分元素及含量，熔配制备出厚度为70μm，宽6mm，长1.8m的非晶态急冷合金薄带。将本实施例10所制备得到的非晶态中间层合金箔材应用于DD3高温合金试样的TLP焊接，焊接加热规范为：10℃/min升温到1000℃保温0.5小时；20℃/min升温到1200℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1220℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1240℃保温2.5～3.5h，随后随炉冷却至室温。参照图1所示。获得的焊接接头为单晶，组织与母材相匹配。实施例11按照上述实施例7的步骤，依照表1中实施例11的数据称量各组分含量的高纯金属，熔配制备出厚度为80μm，宽7mm，长1.4m的非晶合金薄带。将本实施例11所制备得到的非晶态中间层合金箔材应用于DD6单晶高温合金焊接，焊接加热规范为：10℃/min升温到1000℃保温0.5小时；20℃/min升温到1200℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1220℃保温2.5～3.5h；0.5℃/min升温到1240℃保温2.5～3.5h，随后随炉冷却至室温。参照图1所示。获得的焊接接头为单晶，组织与母材相匹配。参见图1，a区段为匀速加热阶段，加热速率为10℃/min；b区段为保温阶段，即在1000℃保温0.5小时；c区段为匀速加热阶段，加热速率为20℃/min；d区段为等温保温阶段，即在1200℃保温2.5～3.5h；e区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；f区段为保温阶段，即在1220℃保温2.5～3.5h；g区段为匀速加热阶段，加热速率为0.5℃/min；h区段为保温阶段，在1240℃保温2.5～3.5h；i区段为随炉冷却阶段。综上所述，本发明的非晶态中间层合金，便于加工和装配；该中间层合金箔材应用于TLP焊单晶镍基高温合金，组织匹配性好。应用该种非晶中间层合金TLP焊单晶镍基高温合金的焊接工艺简单，节能环保，生产效率提高。焊接工艺稳定，焊接质量易于保障，接头性能得以提升。当前第1页1 2 3