[發明專利]鎳基中間層合金材料及其制備方法、焊件及焊接方法以及應用

有效

• 申請號: 202110003684.0
• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112853154B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 劉鳳美;李琪;易耀勇;高海濤;李麗坤
• 申請（專利權）人: 廣東省科學院中烏焊接研究所
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C22C1/03;B22F1/065;B22F9/02;B22D11/06;C22F1/10;B23K20/02;B23K20/24;F01D5/18;F01D5/28
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 陳秋夢

本發明公開了鎳基中間層合金材料及其制備方法、焊件及焊接方法以及應用，涉及焊接材料技術領域。一種鎳基中間層合金材料，按重量百分比計，其化學組成為：Cr11.9～13.2％、Co6.5～7.8％、Mo0.5～1.7％、W4.1～5.2％、Al2.4～3.6％、Ti4.1～5.3％、Ta3.0～4.2％、Re0～3.1％、Ru1.5?3.1％、B0.5?1.1％、Si 0.3?0.8％以及余量為鎳。其制備方法，包括按上述化學組成將金屬和/或合金熔煉為鎳基中間層合金材料。焊接方法，包括采用上述合金材料焊接焊件。焊件，采用上述焊接方法焊接得到。通過本發明提供的合金材料焊接得到的焊件接頭處高溫強度高。

技術領域

本發明涉及焊接材料技術領域，具體而言，涉及鎳基中間層合金材料及其制備方法、焊件及焊接方法以及應用。

背景技術

隨著航空發動機性能不斷提升，渦輪前溫度越來越高，在其他條件不變的情況下，渦扇發動機渦輪前溫度每提升100℃(攝氏度)，該發動機的最大推力就可以提升近20％。因此各個國家都在競相提高渦輪前工作溫度，從圖1可以看出，我國的渦輪前溫度與世界先進國家相比還存在一定的差距。

想要提升發動機渦輪前溫度也就需要渦輪葉片有著更強的耐高溫能力，其最重要的措施是提升渦輪葉片材料的耐高溫能力和其冷卻技術，從圖2可以看出，金屬間化合物擁有更高的耐高溫能力，具有熔點高、密度小、抗氧化性好、耐腐蝕性能好、高溫強度高等特性，可作為航空發動機的關鍵部件材料，具有廣闊應用前景。本申請就是針對具有廣闊應用前景的 Ni₃Al金屬間化合物高溫合金的焊接。

發動機高溫端渦輪葉片(如圖3)，是一個復雜腔體結構，腔體是用來葉片的冷卻。其制造工藝是鑄造后精加工，制造及加工難度非常大，在加工及榫頭與葉身裝配過程中，極易造成不等間隙，最大間隙可以達到 0.08mm，給焊接帶來重大難題。

瞬間液相擴散焊是擴散焊接的一種，其焊接示意圖如圖4，通常采用比母材熔點低的材料作中間夾層，在加熱到連接溫度時，中間層熔化，在結合面上形成瞬間液膜，在保溫過程中，隨著低熔點組元向母材的擴散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經一定時間的保溫而使成分均勻化，最后形成組織均勻的焊縫接頭。根據圖4我們可以看出，焊縫越寬，中間層材料的元素擴散就越難，因此大間隙大大增加了航空發動機葉片焊接的難度。

目前Ni₃Al高溫合金的焊接都采用瞬間液相擴散焊，研究開發的Ni基中間層材料，大部分是以Ni₃Al母材成分為基體，添加小原子半徑元素硼作為降熔元素，在擴散焊的過程中，B元素向母材擴散，實現焊接接頭的等溫凝固，完成焊接。但該中間層材料僅能滿足小間隙(裝配間隙小于0.03mm) 焊接，其接頭高溫(1100℃)抗拉強度達到母材的80％-85％，接頭高溫持久(1100℃，100h)強度達母材的90％，達到了航空發動機的應用要求。但是當焊縫間隙大(超過0.03mm)時，B元素擴散程度有限，導致焊縫中仍然存在低熔點相，其接頭高溫持久(1100℃，100h)強度大大降低，無法滿足航空發動機的應用要求。

但在實際生產應用中，由于其結構的復雜性，在加工及裝配過程中，一個工件的裝配間隙不是等間隙的，往往有些地方存在大于0.03mm的情況，甚至達到了0.08mm。若要嚴格控制間隙，其加工難度非常大，加工周期非常長，廢品率非常高，成本高的無法想象。因此解決Ni₃Al高溫合金不等間隙的焊接，提高接頭高溫持久(1100℃，100h)強度，是當務之急。

鑒于此，特提出本發明。

發明內容

本發明的目的在于提供鎳基中間層合金材料及其制備方法、焊件及焊接方法以及應用。

本發明是這樣實現的：