一种异向单晶高温合金连接方法

本发明涉及镍基高温合金材料连接，具体涉及一种异向单晶高温合金相等/近似母材成分连接方法。

背景技术：

1、航空发动机作为飞机的心脏，不仅是飞机的动力，也是促进航空事业发展的关键推力。当前，我国航空制造业的主要目标，便是突破航空发动机的瓶颈和制约。

2、为提高航空发动机气密性、减少气动损失，从而提升涡轮效率，航空发动机通常采用双联结构导向叶片。随着航空发动机推重比的增大，涡轮进口温度不断提高，处在高温燃气流中的涡轮导向叶片的工作环境愈加恶劣，对于叶片材料的高温性能要求越来越高。由于镍基单晶高温合金具有较高的高温强度、优异的抗氧化和抗热腐蚀性能，涡轮导向叶片材料随之进入单晶高温合金时代。

3、单晶双联导向叶片可通过“双联整铸”或“单体铸造+焊接(连接)”两种方案制造。双联整铸叶片性能优异，但工艺性差、成品率低，仅可能用于制造小尺寸的高压涡轮导向叶片；随着叶片尺寸的增加、弯扭结构变化和冷却结构的改良，铸造过程中单晶生长的温度场难以控制，内部杂晶等缺陷逐渐增多，“单体铸造+焊接(连接)”方案成为目前制造尺寸较大的低压涡轮导向叶片的唯一办法。导向叶片单体铸造通常采用螺旋选晶法，除了[001]晶向可以一致，其他两个晶向是随机的，这意味着其缘板侧面位置的晶体取向是无法确定的，两侧待焊母材的晶体取向差通常大于20°。由于合金元素(al、ti)含量高、结构复杂以及取向等问题，单晶导向叶片还属于一类特殊的难焊材料。

4、目前导向叶片焊接(连接)方法主要有电子束焊、钎焊和瞬时液相扩散焊(tlp)，分别有其局限性：随着叶片材料由变形高温合金发展到铸造高温合金(包括铸造单晶高温合金)，高温合金成分中al、ti等合金元素含量增加，裂纹敏感性明显升高。单晶高温合金电子束焊接时，不仅会形成杂晶，更重要的是还会形成大量凝固裂纹。另外，双联或多联导向叶片焊接制造时所需要焊接(连接)的截面并不是一个等厚结构，电子束焊接的工艺适应性并不理想。因此，无论从材料焊接性来看，还是从工艺适应性上来看，电子束焊接都已不是单晶导向叶片制造的恰当焊接方法。

5、钎焊也是制造非单晶(变形高温合金和等轴晶铸造高温合金)双联叶片常用的连接技术，高温合金钎焊用钎料中都含有降熔元素si和b，钎焊后焊缝中通常会残留大量脆性si和b的化合物，严重影响接头性能尤其是高温性能。对于非单晶高温合金，母材本身性能较低，钎焊接头性能能够达到母材性能的70％甚至以上，尚可基本满足应用要求。而对于单晶高温合金，由于母材性能大幅度提升，且钎焊过程中没有晶界作为si、b等降熔元素的快速扩散通道，钎焊后接头内往往残留更多的低熔点脆性化合物，钎焊性能尤其是高温性能相对母材普遍很差；尽管通过调控工艺参数可以在一定程度上减少焊缝中的化合物，改善接头性能，但终归难以有质的改变(完全消除化合物)，接头性能普遍在母材性能的50％以下。普通钎焊技术难以满足单晶导向叶片对连接性能的要求。

6、瞬时液相扩散焊(tlp)是专门针对高温合金连接而发展起来的一种连接方法，且应用较为普遍。目前单晶高温合金tlp连接的目标是获得与母材在结构和性能上一致的单晶接头，因此，相关研究也主要围绕接头的单晶化展开。国内外已有研究表明，当母材不存在晶体取向差或晶体取向差不大时，采用适当的含si和b等降熔元素的连接材料，通过足够长时间的扩散均匀化，完全可以获得与母材结构和性能一致的单晶接头。然而研究发现，母材晶体取向的一致性是影响单晶高温合金tlp连接接头单晶化和性能的关键因素，随着母材取向差的增加，tlp接头力学性能下降非常严重，其根本原因是，当母材晶体取向差较大时，接头将难以实现完全单晶化。研究发现当两侧母材取向差大于9°-10°时，接头中会出现平行于连接面的大角度贯穿型晶界，而且碳化物与硼化物会在晶界处形核长大，随着取向差的增大，接头的高温抗拉强度和持久性能急剧恶化。

7、众所周知，母材晶体取向的一致性恰恰是单晶导向叶片焊接制造时无法保证的条件——单晶导向叶片单体制造通常采用的是螺旋选晶法，除[001]晶向外其它两个晶向并不确定，即采用焊接技术制造单晶双联导向叶片时，无法保证两侧缘板待焊母材的晶体取向一致(取向差通常大于20°)。这就意味着，以目前通过添加si和b等降熔元素制备连接材料的方法进行单晶导向叶片tlp连接时，往往存在一个难以调和的矛盾：通过si和b的充分扩散使接头单晶化，接头内必然形成大角度晶界，接头性能严重恶化；而si和b不充分扩散，接头内又将残留化合物和共晶相，接头性能同样无法保障。因此，现有tlp连接方法无法满足单晶导向叶片焊接制造对连接性能的要求。另外，目前tlp连接过程中接头成分均匀化和结构单晶化动辄需要数十小时甚至数天时间，过程动力学缓慢、工艺性差也是需要解决的问题。如何改善大取向差单晶高温合金tlp连接性能并提升连接过程动力学，是单晶双联导向叶片尤其是低压导向叶片“单体铸造+焊接”制造中亟待解决的课题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种异向单晶高温合金相等/近似母材成分连接方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

2、为了解决上述问题，本发明的技术方案是：一种异向单晶高温合金相等/近似母材成分连接方法，该连接方法采用直接从单晶高温合金母材成分中分离出来的低熔合金组分和高熔合金组分合金配合形成相等/近似母材成分的连接材料进行连接，通过调控低熔合金组分和高熔合金组分的体积比在1:1～4的范围内从而控制连接过程中液相的体积分数不超过50％，连接过程中利用液相与高熔点组分颗粒及母材之间的固-液互扩散实现等温凝固，形成非单晶高温合金连接层，具体包括如下步骤：

3、s1)选取待连接镍基单晶高温合金，制备成异向镍基单晶高温合金待连接件，并对待连接件的表面进行预处理：

4、s2)将连接材料粉末与有机溶剂搅拌均匀成膏状，均匀涂抹于经s1)处理后的待连接件表面，用夹具固定后；

5、s3)将s2)得到的固定夹装好的待连接件放置于真空钎焊炉内,进行钎焊，炉温降至室温后，得到非单晶高温合金连接层的异向单晶高温合金连接件。

6、进一步，所述低熔合金组分的质量百分比为：cr 10.0～20.0wt.％，co5.0～15.0wt.％，al 5.0～10.0wt.％，ti 5.0～20.0wt.％，余量为ni和不可避免的杂质；

7、所述高熔合金组分的质量百分比为：co 5.0～15.0wt.％，mo wt.％1.0～5.0，w5.0～15.0wt.％，al 5.0～6.0wt.％，ta 5.0～15.0wt.％，余量为ni和不可避免的杂质。

8、进一步，所述s1)中的待连接镍基单晶高温合金为采用定向凝固工艺制备而成的完全热处理态镍基单晶高温合金。

9、进一步，所述s1)中的异向镍基单晶高温合金待连接件为单晶高温合金母材上沿平行于[001]的取向与偏离[001]取向，偏离角度为α，α≥10°。

10、进一步，所述s2)中的连接材料粉末为低熔合金组分合金粉末与高熔合金组分合金粉末按照体积比1:1～4比例的混合物，混合粉末的总成分为镍基单晶高温合金相等/近似成分，连接材料与镍基单晶高温合金中各元素含量偏差范围不大于15％。

11、进一步，所述连接材料中低熔合金组分合金粉末粒度不大于100μm，熔点不高于1250℃；高熔合金组分合金粉末粒度不大于100μm，熔点不低于镍基单晶高温合金固溶热处理温度

12、进一步，所述连接材料粉末为平均粒径范围在5～106μm的球形和/或近球形合金粉末。

13、进一步，所述s3)中的真空真环境的真空度为5×10-3pa，升温速率为10-15℃/min，升高至1280℃，保温30～180min后，炉冷降温，冷却速度为5～10℃/min。

14、进一步，所述s1)中的预处理工艺为：依次用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨镍基单晶高温合金待连接表面；再将待连接件完全浸没丙酮中，超声清洗10min；清洗结束后，由丙酮中取出放入真空干燥箱中烘干，烘干温度为50～80℃，烘干时间为20～40min。

15、进一步，所述s2)中的有机溶剂为乙醇或松油醇；涂抹厚度不小于0.2mm。

16、本发明的特点在于：

17、1.本发明的一种异向单晶高温合金相等/近似母材成分连接方法及其连接材料采用直接从单晶高温合金母材成分中分离出的低熔合金组分合金和高熔合金组分合金配合形成与母材相等/近似成分的连接材料，不含si和b等降熔元素，连接层不存在富si和b脆性化合物或共晶组织。分离出的低熔合金组分各元素之间的共晶反应使其熔点低于1250℃，在连接过程中形成液相，通过低熔合金组分和高熔合金组分及母材之间的固-液互扩散实现连接。

18、2.本发明的一种异向单晶高温合金相等/近似母材成分连接材料由直接从单晶高温合金母材成分中分离出的低熔合金组分和高熔合金组分两种合金粉末混合而成，接头的成分均匀化过程属于大扩散面积、短扩散距离的快速扩散机制，因而可以大大加快连接过程的动力学。

19、3.本发明的一种异向单晶高温合金相等/近似母材成分连接方法及其连接材料在连接后可获得与母材相等/近似成分的非单晶高温合金连接层，避免接头单晶化形成平行于连接面的大角度贯穿型晶界，获得任意取向差的单晶高温合金高性能连接接头。

20、4.本发明的一种异向单晶高温合金相等/近似母材成分连接方法及其连接材料可用于任意取向差包括无取向差单晶高温合金和非单晶高温合金的连接。