一种航空同种IC10单晶高温合金焊接方法与流程

本发明涉及单晶高温合金焊接技术领域，特别涉及一种航空同种ic10单晶高温合金焊接方法。

背景技术

ic10合金是典型的ni3al基单晶高温合金，并作为涡轮导向叶片材料在新一代航空发动机上得到了广泛应用。采用整体叶盘制造技术可将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去传统连接中的楔头和锁紧装置，减少结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高气动效率。目前国内单晶高温合金导向叶片制备方式有两种：一采用铸造方法中的定向凝固制备单晶叶片，二采用高能束流焊接设备进行高温合金粉末或丝材增材制造单晶叶片，但是在单晶叶片进行焊接时总会产生液化或凝固裂纹，无论是在单晶叶片的修复还是连接，均遇到了很大的困难。

目前，关于ic10单晶叶片的连接主要方法仍为钎焊，已知钎焊方法经济简单，能够避免由于母材熔化、结晶而引起的裂纹问题，但是焊后接头和母材的成分差异较大，而且接头中易产生低熔点化合物，弱化接头的性能，所以当采用钎焊方式进行连接时很难使单晶叶片达到服役所需的时间和强度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种航空同种ic10单晶高温合金焊接方法，该方法能够无裂纹的实现同种ic10单晶高温合金的可靠连接。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种航空同种ic10单晶高温合金焊接方法，所述焊接方法包括：

对ic10单晶高温合金的对接面进行第一次处理，并将第一次处理后的ic10单晶高温合金放置在真空焊接室内装夹固定；

关闭所述真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到所要求的真空度时，通过电子束送丝系统，对所述第一次处理后的ic10单晶高温合金的对接面同时进行送丝与增材处理，完成单层单道增材后冷却取出，增材后的ic10单晶高温合金；增材的材料为ch4169；

对所述增材后的ic10单晶高温合金的增材层进行第二次处理，并将第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面紧配合的固定在所述真空焊接室的装夹内；

再次关闭所述真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到所要求的真空度时，对所述第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面进行电子束对接处理。

可选的，所述对ic10单晶高温合金的对接面进行第一次处理，具体包括：

对ic10单晶高温合金的对接面进行磨光处理；

对磨光处理后的ic10单晶高温合金的对接面进行去污处理。

可选的，所述对磨光处理后的ic10单晶高温合金的对接面进行去污处理，具体包括：

选用石油醚对磨光处理后的ic10单晶高温合金的对接面进行除油处理；

对除油处理后的ic10单晶高温合金的对接面采用酒精擦洗。

可选的，所述关闭所述真空焊接室后抽真空时所要求的真空度与再次关闭所述真空焊接室后抽真空时所要求的真空度均为1×10^-3mpa。

可选的，所述送丝与增材的工艺参数为：加速电压60kv，焊接电流8ma，聚焦电流503a，焊接速度600mm/min，送丝速度20mm/s。

可选的，所述冷却的时间为20min。

可选的，所述对所述增材后的ic10单晶高温合金的增材层进行第二次处理，具体包括：

对所述增材后的ic10单晶高温合金的增材层进行铣床铣削处理，保证增材层的厚度与ic10单晶高温合金的厚度一致；

对铣床铣削处理后的ic10单晶高温合金的增材层进行去污处理。

可选的，所述去污处理是在焊接前15分钟-1小时内进行。

可选的，在对所述第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面进行电子束对接处理之前，所述焊接方法还包括：对所述第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面进行定位焊接处理。

可选的，所述电子束焊接的工艺参数为：加速电压60kv，焊接电流18ma，聚焦电流503ma，焊接速度1600mm/min。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种航空同种ic10单晶高温合金焊接方法，该方法包括对ic10单晶高温合金的对接面进行第一次处理，并将第一次处理后的ic10单晶高温合金放置在真空焊接室内装夹固定；关闭所述真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到所要求的真空度时，对所述第一次处理后的ic10单晶高温合金的对接面同时进行送丝与增材处理，完成单层单道增材后冷却取出增材后的ic10单晶高温合金；增材的材料为ch4169；对所述增材后的ic10单晶高温合金的增材层进行第二次处理，并将第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面紧配合的固定在所述真空焊接室的装夹内；再次关闭所述真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到所要求的真空度时，对所述第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面进行电子束对接处理。因此，采用本发明提供的焊接方法能够无裂纹的实现同种ic10单晶高温合金的可靠连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例航空同种ic10单晶高温合金焊接方法的流程示意图；

图2为本发明不同焊接速度下采用传统方法的焊缝宏观形貌示意图；

图3为本发明不同焊接速度下采用传统方法的x射线探伤形貌的示意图；

图4为本发明ic10单晶高温合金增材后的宏观形貌示意图；

图5为本发明增材后的ic10单晶高温合金对接后的宏观形貌示意图；

图6为本发明增材后的ic10单晶高温合金对接后的x射线探伤形貌示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种航空同种ic10单晶高温合金焊接方法，该方法能够无裂纹的实现同种ic10单晶高温合金的可靠连接。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的航空同种ic10单晶高温合金焊接方法的工艺流程为：ic10单晶高温合金焊前处理→ic10单晶高温合金装夹固定→焊接室抽真空→填丝完成单层单道增材→取出焊后工件→铣床加工焊后工件焊接面→对铣削后的工件焊前处理→装夹固定带增材层的ic10单晶高温合金及普通ic10单晶高温合金→焊接室抽真空→点焊固定→电子束完成整段焊接的工艺路线。

图1为本发明实施例航空同种ic10单晶高温合金焊接方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的航空同种ic10单晶高温合金焊接方法具体包括以下步骤。

步骤101：对ic10单晶高温合金的对接面进行第一次处理，并将第一次处理后的ic10单晶高温合金放置在真空焊接室内装夹固定。

步骤102：关闭所述真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到所要求的真空度时，通过电子束送丝系统，对所述第一次处理后的ic10单晶高温合金的对接面同时进行送丝与增材处理，完成单层单道增材后冷却取出增材后的ic10单晶高温合金；增材的材料为ch4169。

步骤103：对所述增材后的ic10单晶高温合金的增材层进行第二次处理，并将第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面紧配合的固定在所述真空焊接室的装夹内。

步骤104：再次关闭所述真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到所要求的真空度时，对所述第二次处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面进行电子束对接处理。

步骤101具体包括：

对ic10单晶高温合金的对接面进行磨光处理，表面粗糙度为ra1.5-3μm时停止。

将磨光处理后的ic10单晶高温合金的对接面进行去污处理，去污处理时首先选用石油醚除油，随后采用酒精擦洗，该去污处理需在焊接前15分钟-1小时内进行。

将处理后的ic10单晶高温合金在真空焊接室内装夹固定，处理后的ic10单晶高温合金的对接面采用紧配合并保持处理后的ic10单晶高温合金垂直放置。

步骤102具体包括：

关闭真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到真空度为1×10^-3mpa时，先在处理后的ic10单晶高温合金的对接面定位，然后同时进行送丝与增材处理，完成单层单道增材。其中，送丝与增材的工艺参数为：加速电压60kv，焊接电流8ma，聚焦电流503a，焊接速度600mm/min，送丝速度20mm/s。

增材后的ic10单晶高温合金在真空焊接室冷却20min后取出。

步骤103具体包括：

对增材后的ic10单晶高温合金的增材层进行铣床铣削处理，使得增材层变得平整，且保证增材层的厚度与ic10单晶高温合金的厚度一致。

对铣削处理后的ic10单晶高温合金的增材层再次进行去污处理，去污处理时首先选用石油醚除油，随后采用酒精擦洗，该去污处理需在焊前15分钟-1小时内进行。

将去污处理后的ic10单晶高温合金在真空焊接室内装夹固定，去污处理后的ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面采用紧配合并保持两块高温合金水平放置。

步骤104具体包括：

再次关闭真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到真空度为1×10^-3mpa时，先在ic10单晶高温合金的增材层与未增材且经过第一次处理的ic10单晶高温合金的对接面进行定位焊接。

定位焊接后开始进行电子束焊接，电子束焊接采用单循环焊接方式，电子束焊接工艺参数为：加速电压60kv，焊接电流18ma，聚焦电流503ma，焊接速度1600mm/min。

为了说明本发明提供的焊接方法能够无裂纹的实现同种ic10单晶高温合金的可靠连接，现采用传统方法与本发明提供的方法进行对比验证。

选用最优线能量参数焊接电流＝18ma、加速电压＝60kv、聚焦电流＝503ma，改变焊接速度(v＝1600mm/min、1800mm/min、2000mm/min)。本次试验过程中采用单一变量的方法，只改变焊接速度并观察改变焊接速度对焊缝宏观形貌的影响。

图2(a)的焊接速度为1600mm/min，图2(b)的焊接速度为1800mm/min，图2(c)的焊接速度为2000mm/min；如图2所示，由图2(a)可以看出，当焊接速度v为1600mm/min时，焊缝正面成形存在轻微下榻缺陷，随着焊接速度的增加下榻缺陷得到减缓，但由图2(c)焊缝正面线框标记的位置可以清楚地看到焊缝末端成形较差。分析其原因认为，当焊接速度增加至2000mm/min时，总的焊接热输入减小，收弧段部分金属不均匀熔化，从而产生该形貌特征。图2(a)到图2(c)由焊缝背面形貌可以看出焊接过程中均未产生较大的金属飞溅，而且从焊缝背面形貌还可以得出随着焊接速度的增加，异种高温合金对接焊缝背部熔透量也呈递减趋势。

为进一步检测ic10单晶高温合金同种焊接接头是否存在传统焊接中的裂纹缺陷，现对其进行x射线检测(x射线探伤参数为：100kv-10ma-120s)，x射线检测结果如图3所示，检测发现ic10单晶高温合金同种焊接接头存在明显的横向裂纹缺陷，当焊接速度为1800mm/min时焊缝中段不仅出现了裂纹缺陷还出现了未熔合孔洞缺陷，虽然当焊接速度增加至2000mm/min时仍然有横向裂纹出现，但从图3(c)中可以明显看出横向裂纹数目减少，并且集中在起弧段与收弧段。

由于改变工艺参数无法消除横向裂纹，并且由大量实验可知，采用真空电子束焊接方法连接普通镍基高温合金与ic10单晶高温合金时，均无裂纹产生。因此，本发明采用真空电子束增材制造的方法在ic10单晶高温合金一侧采用单层单道增材工艺，在同种ic10单晶高温合金对接面增材gh4169，其宏观形貌如图4所示。

图5为本发明增材后的ic10单晶高温合金对接后的宏观形貌示意图，如图5所示，其正面成形良好，背部刚好熔透1mm，对图5所示的ic10单晶高温合金进行x射线探伤分析如图6所示，可以看出无论是正面射线扫描还是背面射线扫描均无裂纹，说明采用电子束焊接侧增材gh4169可解决ic10单晶高温合金同种板材焊接裂纹问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。