[發明專利]一種鎳基單晶高溫合金的瞬間液相連接方法

在審

• 申請號: 201710798607.2
• 申請日: 2017-09-07
• 公開（公告）號: CN107617800A
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 劉紀德;孫元;李博;侯星宇;金濤;周亦胄;李金國;孫曉峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00;B23K1/008;B23K1/20
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 許宗富,周秀梅

技術領域

本發明涉及鎳基高溫合金焊接技術領域，具體涉及一種鎳基單晶高溫合金的瞬間液相連接方法。

背景技術

先進航空、能源動力裝置的關鍵技術之一是材料研制。新型發動機設計有力促進、引導先進材料的研制，一代新材料帶動一代新型發動機的發展。鎳基單晶高溫合金具有較高的高溫強度、優異的抗氧化和抗熱腐蝕性能。隨著現代工業技術的發展，先進航空發動機和地面燃氣輪機都采用鎳基單晶高溫合金為熱端部件，鎳基單晶高溫合金已經成為當代工業領域中關鍵高溫結構材料之一。

鎳基單晶高溫合金都具有非常復雜的成分，通常含有多達十余種的合金元素，同時，這類材料為了獲得較高的高溫強度，必須在其內部形成高體積分數的沉淀強化相，這就必須添加很高含量的Al或Ti等元素。但是，這些元素的引入，對鎳基單晶高溫合金的熔化焊接性能非常不利，通常會在焊縫內部、焊接熱影響區等位置產生焊接裂紋，嚴重影響零件的安全可靠性。而且，熔化焊時還容易在焊縫內部產生其他晶體學取向的晶核，這些其他取向晶核就是雜晶，破壞了單晶高溫合金的晶體學一致性，導致其性能嚴重降低。目前來說，單晶高溫合金還屬于一類特殊的難焊材料，傳統熔化焊方法幾乎不能完成施焊。

通常認為高溫釬焊可以解決難焊材料的連接問題，以往也有許多關于高溫釬焊鎳基高溫合金的報道，但采用高溫釬焊方法時，焊縫內部通常產生硼化物等有害相，這些有害相嚴重影響了焊后零件的使用溫度和強度。對于要在較高溫度、較高應力條件下使用的鎳基單晶高溫合金零件來說，高溫釬焊還不能完全滿足要求。

隨著鎳基單晶高溫合金在工業領域的推廣應用，這類特殊材料的焊接問題越來越引起重視，必須研發一種高質量焊接方法解決其有效焊接問題。

發明內容

為了解決現有鎳基單晶高溫合金焊接時存在的上述不足之處，本發明的目的在于提供一種鎳基單晶高溫合金的瞬間液相連接方法，該方法能夠實現鎳基單晶高溫合金的高質量焊接，焊后接頭的微觀組織與母材一致，各元素在接頭內分布均勻，實現合金的均勻強化，且焊后母材的晶體學取向一致。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種鎳基單晶高溫合金構件的瞬間液相連接方法，該連接方法包括如下步驟：

(1)將待焊母材的待焊表面處理干凈；

(2)焊前裝配：將中間層合金(焊接材料)放置于兩個待焊母材的待焊表面之間，采用點焊方式將待焊母材進行定位固定，再在待焊母材外表面上焊縫位置周圍區域涂覆阻流劑；

(3)焊接：焊接時采用高溫真空焊接爐，零件隨爐升溫至鎳基單晶高溫合金固溶熱處理溫度，升溫速率不低于5℃/min，并按合金固溶熱處理制度規定時間確定焊接時間，然后采用真空氣淬冷卻或隨爐降溫至室溫，即獲得鎳基單晶高溫合金連接件。

上述步驟(1)中，待焊母材為采用定向凝固工藝制備而成的固溶態或完全熱處理態鎳基單晶高溫合金；待焊母材優選為棒狀單晶材料，待焊母材為棒狀時，單晶合金定向凝固方向與棒狀樣品軸向一致。

上述步驟(1)中，待焊母材的待焊表面處理過程為：首先用砂布或機械打磨的方法除掉待焊表面的氧化物，嚴禁劃傷非焊接表面；然后用丙酮進行超聲清洗，清洗時間為5min，清洗后吹干。母材焊接面垂直于母材定向凝固方向(母材軸向)，母材焊接表面粗糙度≤6.4，采用X射線衍射方法測量待焊兩塊母材的晶體學取向，確保其晶體學取向與[001]方向偏差不大于3°。

上述步驟(2)中，所述中間層合金(焊接材料)為帶狀或粉末狀的鎳基或鈷基焊接材料。

上述步驟(2)中，待焊樣品的待焊表面之間放置中間層合金后，待焊表面與中間層合金緊密貼合，無明顯空隙。

上述步驟(2)的焊前裝配過程中，采用專用焊接夾具實現兩根棒狀單晶高溫合金母材的焊接固定；所述專用焊接夾具包括樣品架，樣品架上開設若干柱狀通孔，用于放置已進行焊接固定的待焊母材。

上述步驟(3)中，在升溫和/或保溫過程中，當爐溫高于500℃時，爐內真空度不低于8×10^-3Pa。

對步驟(3)所得鎳基單晶高溫合金連接件進行常規焊后熱處理：包括高溫固溶和時效處理。

本發明設計原理和有益效果如下：