一种用于单晶高温合金扩散钎焊的连接材料及其工艺

本发明涉及高温合金连接，具体涉及一种用于单晶高温合金扩散钎焊的连接材料及其工艺。

背景技术：

1、单晶高温合金具有较高的高温强度、优异的蠕变与疲劳抗力，已成为先进航空发动机涡轮叶片等关键热端部件的首选材料。在单晶叶片等热端部件的实际生产及服役过程中，不可避免地会涉及到焊接(连接)问题，如单晶叶片的连接制造，单晶构件表面损伤的修复等。单晶高温合金优异的高温性能源于其独特的单晶组织，因此获得单晶接头是单晶高温合金焊接(连接)的最终目的。

2、扩散钎焊(又称瞬时液相扩散焊，tlp)结合了钎焊与固相扩散焊的优点，最终可获得与母材性能相当的单晶接头，被认为是最佳的单晶高温合金连接方法。目前，单晶高温合金扩散钎焊所用的连接材料中均添加较多的降熔元素(如b、zr、hf等)以获得较低的熔点。然而，当接头中降熔元素含量较高时，其内部最终会残留有低熔点化合物，破坏单晶结构。为获得无低熔点化合物的单晶接头，需要在高温下进行等温扩散，即高温下，通过的液(连接及修复材料)-固(单晶高温合金)互扩散，使降熔元素的浓度降至极低水平，避免残留低熔点化合物，实现接头或修复区单晶化。虽然理论上经过一段时间的等温扩散处理，可以获得与原单晶母材性能相当的单晶化接头，但由于单晶高温合金中缺少原子的快速扩散通道(晶界)，降熔元素原子的扩散动力学缓慢，通常需要数十小时以上，工艺性差。如柴禄等人采用kni3a箔片(b含量2.0～3.0wt.％)连接n5单晶高温合金，在1240℃下保温24h才获得性能达到母材90％的单晶接头[柴禄等，材料热处理学报，2014，35(11)：117]。y.zheng等人采用zr含量13.4wt.％的合金箔片连接dd3单晶高温合金，在1270℃下保温48h获得了无化合物残留的接头[y.zheng,et al.,j.mater.sci.,1993,28(3):823]。ruan zhongci等人采用ni-18.6co-4.5cr-4.7w-25.6hf(wt.％)箔片连接dd3单晶高温合金，同样在1270℃下保温48h后，才消除了接头中的化合物[ruan zhongci,et al.,scr.mater.,1996,34(1):163]。

3、因此，有必要研发一种不添加降熔元素的新型连接材料，用于单晶构件的单晶化连接制造或其表面损伤的单晶化修复时，能够加速单晶化进程，改善工艺性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于单晶高温合金扩散钎焊的连接材料，能够加速单晶高温合金扩散钎焊的单晶化进程。本发明提出的连接材料可用于单晶高温合金构件的单晶化连接制造或其表面损伤的单晶化修复。

2、本发明采用的技术方案为：一种用于单晶高温合金扩散钎焊的连接材料，该连接材料的化学成分的质量百分比为：cr 5.0～15.0wt.％，co 5.0～15.0wt.％，mo 1.0～3.0wt.％，w 2.0～6.0wt.％，al 3.0～10.0wt.％，ta 1.0～10.0wt.％，ti 3.0～18.0wt.％，余量为ni和不可避免的杂质。

3、进一步，所述连接材料的化学成分的质量百分比为：cr 8.0～11.0wt.％，co 9.0～14.0wt.％，mo 1.0～2.0wt.％，w 3.0～5.0wt.％，al 4.0～7.0wt.％，ta 1.0～5.0wt.％，ti 5.0～15.0wt.％，余量为ni和不可避免的杂质。

4、进一步，所述连接材料为粒径范围在10～80μm的球形和/或近球形合金粉末。

5、本发明的另一目的是提供一种用于单晶高温合金扩散钎焊的工艺，该工艺具体包括以下步骤：

6、s1)对单晶高温合金母材的待连接面进行预处理；

7、s2)按照设计配比称取连接材料各个组分，制成的箔片或糊状连接材料，再将连接材料置于经s1)处理后的单晶高温合金母材待连接面之间，夹紧固定，得到试件；

8、s3)将s2)处理后的试件放入高温真空炉中，在真空环境中进行扩散钎焊后随炉冷却，即完成单晶高温合金扩散钎焊。

9、进一步，所述s1)中的预处理工艺为：依次用400目、800目与1200目砂纸打磨待连接面；将打磨完毕的单晶高温合金母材置于乙醇或石油醚中，辅以超声振动清洗5～10min；清洗结束后将单晶高温合金母材烘干。

10、进一步，所述s2)中的具体工艺为：

11、将称取得到连接材料金属粉末制成厚度在10～300μm的合金箔片，再将合金箔片的置于待单晶高温合金母材待连接面之间或将称取得到连接材料金属粉末利用挥发性粘结剂将连接材料调成糊状，涂覆于单晶高温合金母材待连接面之间，厚度不小于0.2mm。

12、进一步，所述s2)中的单晶高温合金母材待连接面之间的晶体取向差＜10°。

13、进一步，所述s3)中的扩散钎焊具体工艺为：热处理温度为1200～1280℃，保温时间为10～60min，炉内真空度不低于1×10-2pa。

14、一种单晶接头，该单晶接头采用上述的工艺制备得到，且所得单晶接头在980℃下平均抗拉强度达到700mpa以上。

15、进一步，所述单晶接头与两侧单晶高温合金母材之间的晶体取向差＜10°。

16、本发明的有益效果如下：

17、1.本发明连接材料中无b、si、zr、hf等降熔元素，接头中不存在需要长时间扩散消除的硼化物或硅化物等化合物，能够加快接头单晶化进程，即有助于实现接头单晶化。

18、2.本发明连接材料中所含元素均为单晶高温合金成分体系中常用的非微量元素，通过调整其中的ni与ti、ta等元素之间的比例来得到与单晶高温合金成分相近的低熔点连接材料，最终能够获得与母材一致的单晶接头。

19、3.本发明连接材料中cr、co、mo、w等元素起到固溶强化作用，al、ta、ti等元素起到沉淀强化作用。需要注意的是，为降低生产成本且进一步加速接头单晶化进程，连接材料中加入了较多的al、ti元素，而ta元素含量被限制在5wt.％以内。采用本发明连接材料及其工艺进行单晶高温合金的扩散钎焊，在高温下保温较短时间(小于30min)所得的接头980℃高温下平均抗拉强度可达700mpa以上。

20、4.本发明连接材料使用范围广，不仅可用于单晶高温合金叶片的单晶化连接制造，还可用于单晶构件表面损伤的单晶化修复，延长构件的使用寿命，节约昂贵的高温合金材料。

技术特征：

1.一种用于单晶高温合金扩散钎焊的连接材料，其特征在于，所述连接材料的化学成分的质量百分比为：cr 5.0～15.0wt.％，co 5.0～15.0wt.％，mo 1.0～3.0wt.％，w 2.0～6.0wt.％，al 3.0～10.0wt.％，ta 1.0～10.0wt.％，ti 3.0～18.0wt.％，余量为ni和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的连接材料，其特征在于，所述连接材料的化学成分的质量百分比为：cr 8.0～11.0wt.％，co 9.0～14.0wt.％，mo 1.0～2.0wt.％，w 3.0～5.0wt.％，al4.0～7.0wt.％，ta 1.0～5.0wt.％，ti 5.0～15.0wt.％，余量为ni和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的连接材料，其特征在于，所述连接材料为粒径范围在10～80μm的球形和/或近球形合金粉末。

4.一种采用权利要求1或2所述的连接材料进行扩散钎焊的工艺，其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述s1)中的预处理工艺为：依次用400目、800目与1200目砂纸打磨待连接面；将打磨完毕的单晶高温合金母材置于乙醇或石油醚中，辅以超声振动清洗5～10min；清洗结束后将单晶高温合金母材烘干。

6.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述s2)中的具体工艺为：

7.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述s2)中的单晶高温合金母材待连接面之间的晶体取向差＜10°。

8.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述s3)中的扩散钎焊具体工艺为：热处理温度为1200～1280℃，保温时间为10～60min，炉内真空度不低于1×10-2pa。

9.一种单晶接头，其特征在于，所述单晶接头采用如权利要求4-8任意一项所述的工艺制备得到，且所得单晶接头在980℃下平均抗拉强度达到700mpa以上。

10.根据权利要求9所述的单晶接头，其特征在于，所述单晶接头与两侧单晶高温合金母材之间的晶体取向差＜10°。

技术总结
本发明公开了一种用于单晶高温合金扩散钎焊的连接材料及其工艺，该连接材料的化学成分的质量百分比为：Cr 5.0～15.0wt.％，Co 5.0～15.0wt.％，Mo 1.0～3.0wt.％，W 2.0～6.0wt.％，Al 3.0～10.0wt.％，Ta 1.0～10.0wt.％，Ti 3.0～18.0wt.％，余量为Ni和不可避免的杂质。本发明的有益效果是：本发明连接材料进行单晶高温合金的扩散钎焊，在温度为1200～1280℃下热处理，保温10～60min，即完成单晶高温合金扩散钎焊，即为单晶接头，单晶接头在980℃高温下平均抗拉强度可达700MPa以上。本发明提出的连接材料可用于单晶高温合金构件的单晶化连接制造或其表面损伤的单晶化修复。

技术研发人员：黄继华,郎振乾,邹太勇,叶政,杨健,王万里
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15