一种紫铜和镍基高温合金叠层复合构件的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明具体涉及一种紫铜和镍基高温合金叠层复合构件的制备方法。
【背景技术】
[0002]工程构件中如高温喷嘴等，常常要求同热源结合的高温侧具有良好的耐高温性能，而另一侧具有良好的导热性。目前多采用陶瓷与紫铜的叠层复合结构，但陶瓷硬度和脆性大，难于加工，受几何形状及尺寸影响较大；同时，由于陶瓷与金属的热物理及力学性能差别很大，导致两者焊接接合界面存在较大的热应力和残余应力，易在陶瓷侧引起裂纹及断裂，继而影响了构件寿命。此外，陶瓷/金属焊接多采用钎焊及扩散焊，进一步影响了复合构件的加工效率及构件形状、尺寸，从而限制了其应用。
[0003]而镍基高温合金为应用最为普遍的高温金属材料，塑性、韧性好，抗氧化能力强，易于加工，经过几十年的发展，其应用已趋于成熟。因此将两种材料叠加在一起，制备一侧为紫铜而另一侧为镍合金的金属构件将同时能够满足部件工作于高温环境与促进导热的要求，且提高了构件服役寿命。但由于紫铜与镍基高温合金热物理及力学性能存在一定不同，且两者润湿性较差，难于直接利用焊接技术将镍基高温合金与紫铜焊接在一起，易产生缺陷。因此，需选择具有良好相容性材料进行过渡连接，即制备过渡堆敷层是实现有效两者焊接的关键。目前针对紫铜与镍基高温合金异种材料焊接的研究较少，研究主要集中于在紫铜表面通过热喷涂或送粉式激光堆敷等方法镍基耐蚀合金粉末，以增加紫铜构件的耐蚀性或硬度，且采用粉末材料时材料利用率低、存在粉尘污染等问题。
[0004]此外，作为快速成型技术，金属部件增材制造工艺具有生产效率高、成本低、性能好、受构件几何形状影响小等特点，从而受到人们的青睐，故本发明借助该技术制备镍基高温合金侧构件，以提高生产力，满足不同几何形状叠层复合构件的要求。
【发明内容】
[0005]技术问题:本发明目的是为了满足部分工程构件对耐热及导热性能的要求，解决紫铜与镍基高温合金异种材料焊接的技术难题，提供一种紫铜和镍基高温合金叠层复合构件的制备方法。
[0006]本发明是通过利用焊接技术先在紫铜构件表面进行堆焊，形成过渡堆敷层，再利用增材制造技术在堆敷层加工镍基高温合金构件，从而实现了紫铜与镍基高温合金的优质、高效连接。本发明具有生产效率高、受构件尺寸及几何形状影响小、复合构件服役寿命长、应用范围广等优点。
[0007]技术方案:为达到上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案是:
[0008]—种紫铜和镍基高温合金叠层复合构件的制备方法，包括如下步骤:
[0009](I)根据应用及形状要求，采用机械加工或熔铸方法制作紫铜构件；
[0010](2)采用砂轮或砂纸、酒精清理紫铜构件同镍基高温合金直接相连的界面，去除氧化膜、油污、水分及杂质;采用火焰、电弧或电阻加热方式将该界面预热至150_500°C;
[0011](3)采用送丝式钨极氩弧焊接方法，在紫铜构件同镍基高温合金直接相连的界面上制备堆敷层；焊接时选用如下成分焊丝:按质量百分数C为0.05 %?0.15% ;Mn为3 %?15% ;Fe为3% ?8% ;卩为0.005%?0.02% ; S为0.005% ?0.012% ; Si为0.5%?I.5% ；Cu为0.2%?1% ;Cr为8%?18% ;Nb为0.5%?3% ;Mo为0.2%?6% ;Ni为余量；
[0012](4)在步骤(3)获得的堆敷层上，利用送丝式激光或电弧直接熔化沉积技术，按设计要求和设定程序，进行镍基高温合金逐层堆敷，通过堆敷层叠加形成镍基高温合金构件，并最终形成由紫铜构件、过渡堆敷层和镍基高温合金构件构成的紫铜与镍基高温合金的叠层复合构件；
[0013](5)依据尺寸及精度要求，对步骤(4)获得的紫铜与镍基高温合金叠层复合构件进行加工。
[0014]作为优选，上述步骤(I)中，紫铜构件为Tl或T2紫铜板。
[0015]作为优选，上述步骤(3)中，采用焊接电流为130A-250A，焊接电源直流正接，保护气体为99.999 %高纯度氩气、氦气或两者混合气体，流量为6-13L/min，焊接速度为2mm-10_/111；[11，焊丝直径为1_-3_;每道堆敷层宽度为1-8_，层高为0.5_2mm。
[0016]作为优选，上述步骤(4)中所采用的镍基高温合金焊丝可为HGH3030、HGH3039、HG30341，直径为1.0-3.0111111，每道堆敷层宽为1-4111111，层高为1-3111111，保护气体为氩气、氦气或两者混合气体。
[0017]作为优选，上述步骤(4)中所采用的激光热源为CO2激光、Nd:YAG激光或光纤激光；电弧热源为TIG电弧或等离子弧。
[0018]有益效果:本发明通过采用特定成分焊丝，利用送丝式钨极氩弧焊接技术，在紫铜构件与镍基高温合金直接接触表面制备过渡堆敷层，解决了紫铜与镍基高温合金因热物理性能不同而难于焊接的问题，实现了两者的优质连接;而利用激光或电弧直接熔化沉积技术在堆敷层制备镍基高温合金构件，提高了生产效率高、减小了复合构件尺寸及形状的限制；相较于金属/陶瓷复合构件，本发明所制备的复合构件，接合界面应力低、接头强度高、脆性较小，韧性可提高1-3倍，易于再次加工，大大提高了构件服役寿命，从而扩大了其应用范围。
【附图说明】
[0019]图1为紫铜与镍基高温合金叠层复合构件的构造示意图，其中(a)为叠层复合构件的构造示意图，(b)为叠层复合构件焊接路径示意图。
[0020]图中:1为紫铜构件，2为过渡堆敷层，3为镍基高温合金构件。
[0021 ]图2为过渡堆敷层与紫铜结合处金相图片。
[0022]图3为过渡堆敷层与紫铜结合处扫描电镜图片。
【具体实施方式】
[0023]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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]如图1所示的紫铜与镍基高温合金复合构件尺寸为10mmX 100mmX20mm，其中紫铜构件1(紫铜板)厚12mm，牌号Tl;镍基高温合金构件3为GH3030，厚度为6mm，过渡堆敷层2厚约2mm。
[0025]焊接工艺平台:加工装置由福尼斯TPS400TIG电源，IPG公司YLS-6000光纤激光热源，福尼斯送丝机以及KUKA机器人组成；加工过程中，将热源机头与送丝机导电嘴固定于KUKA机器人。
[0026]焊接方案:过渡堆敷层制备过程中，TIG电源直流正接，焊接电流为180A