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CN105598543B - 一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金及其应用 - Google Patents

一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金及其应用，属于高温合金和不锈钢连接技术领域。按重量百分含量计，该中间层合金化学成分为：硼：2～3.5％；硅：1～3％；钨：4～10％；铬：10～15％；铁：3～6％；镍为余量；该中间层合金为采用甩带法制备出的非晶箔带，将其在1050～1250℃用于镍基高温合金或不锈钢的瞬间液相连接，所用时间为100～240分钟。

Description

一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金及其 应用
技术领域
本发明涉及高温合金和不锈钢连接技术领域，具体涉及一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金及其应用，该中间层合金适用于镍基高温合金或不锈钢的连接。
背景技术
现代工业生产中大量使用到高温合金和不锈钢材料，在这些材料的应用过程中，不仅仅要考虑材料本身的强度等制备，同时也往往需要解决这些材料的焊接问题。但是由于高温合金和不锈钢材料的合金化程度较高，往往含有较多的合金元素，导致这些材料的焊接性能极差，产生焊接冷、热裂纹的倾向性较高，严重影响了构件的正常使用。目前，高合金化合金的焊接往往采用真空钎焊的方法。钎焊材料的设计是钎焊的关键。
目前使用的钎料都为粉末钎料，这种钎料在使用时必须与一定量的粘结剂混合，以实现其成型，但由于有粘结剂的挥发，难以避免会在焊缝中形成气孔等缺陷；钎料合金的另一种成型方法是甩带法制备的非晶箔带，但这种方法对合金成分控制要求较高，复杂体系的合金很难成型出规则形状的非晶带。另外，目前钎料中较高含量的硼、硅和磷等元素，也严重影响了焊接强度。
随着镍基单晶高温合金材料的应用推广，与其相关的加工技术也越来越引起重视，尤其是单晶合金的焊接问题。由于镍基单晶高温合金含有大量的合金元素，尤其是铝、钛等，使得该种合金的熔焊性能很差，容易产生冷热裂纹，因此该种合金主要采用瞬间液相连接的方法进行焊接。
瞬间液相扩散连接(TLP)方法对采用的钎料合金要求极高，如果钎料合金的成分设计不合理，一方面会导致连接温度很高(通常超过1280℃)，这容易导致母材共晶相发生液化，影响材料使用寿命；另一方面，普通的钎料合金成分复杂，导致连接时间很长(通常超过48h)，生产效率极低，严重制约了瞬间液相连接技术的推广应用。
发明内容
为了解决目前使用的粉末钎料合金存在的气孔缺陷、强度低等问题，本发明提供一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金及其应用，该中间层合金用于镍基高温合金或不锈钢的高效率优质连接。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金，该中间层合金为镍基合金，按重量百分含量计，合金化学成分为：硼2～3.5％，硅1～3％，钨4～10％，铬10～15％，铁3～6％，镍为余量。
所述中间层合金为非晶态箔带状，采用甩带法制备获得；所述箔带状的中间层合金其宽度为25～55mm，厚度为35～55μm。
所述中间层合金适用于镍基高温合金或不锈钢的连接，连接方式为瞬间液相连接(瞬时液相扩散连接)。
所述中间层合金在1050～1250℃进行瞬间液相连接(瞬时液相扩散连接)，所用时间100～240分钟。
本发明原理如下：
为了解决复杂体系镍基中间层合金非晶箔带成型性不良的问题，根据液态镍基合金与固体金属(铜轧辊)之间的润湿过程特点，选择镍作为中间层合金基体；为了降低瞬间液相连接温度，降低中间层合金熔点，选择硼和硅元素作为降熔点元素，另外，硅元素的加入也明显提高了液体金属流动性，提高制备过程中的润湿性，有利于合金的非晶化过程；为了提高焊后性能，加入铬、钨、铁元素一方面固溶强化合金，另一方面可以提高中间层合金的成形能力和抗高温氧化性能。
本发明的有益效果是：
1、本发明解决目前高温合金钎焊材料设计不合理，成形性不好、焊后性能差的问题，采用本发明中间层合金对镍基高温合金和不锈钢进行瞬间液相连接，连接质量良好，方法简单有效。
2、焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
附图说明
图1为中间层合金外观形貌。
图2为中间层合金物相分析结果。
图3为实施例1连接后样品微观组织。
图4为实施例1连接后样品抗拉性能。
图5为实施例2连接后样品微观组织。
图6为实施例2连接后样品抗拉性能。
图7为实施例3连接后样品微观组织。
图8为实施例3连接后样品抗拉性能。
图9为实施例4连接后样品微观组织。
图10为实施例4连接后样品抗拉性能。
图11为实施例5连接后样品微观组织。
图12为实施例5连接后样品抗拉性能。
图13为实施例6连接后样品微观组织。
图14为实施例6连接后样品抗拉性能。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明中间层合金以镍为基体，添加了降熔点元素硼：2～3.5％，硅：1～3％；强化元素钨：4～10％；铁：3～6％；抗氧化元素铬10～15％。
以下实施例中所用非晶箔带状的中间层合金制备方法为：将纯度大于99.99％的纯镍、铬、钨、硅、铁和镍-硼合金(镍-硼合金中硼为18.5wt.％)按所述比例配好后放入真空感应熔炼炉中熔炼成合金锭。采用常规铜辊甩带法将合金锭制备成非晶箔带，非晶带材宽度为25～55mm，厚度为35～55μm，其外观形貌如图1所示，分析结果表明其微观结构是非晶(图2)。使用这种中间层合金在1050～1250℃进行瞬间液相连接，用时30～240分钟即可完成，并且没有母材液化现象出现，没有溶蚀问题。接头连接质量较好，强度较高。
实施例1
本实施例镍基高温合金为K465，其化学成分为：Cr：10-15wt.％；W：5-8wt.％；Si：2～5wt.％；B：1.5-3.0wt.％；镍为余量。
中间层合金化学成分为：硼：2％；硅：2％；钨：9％；铬：12％；铁：6％；镍为余量。
去除合金棒表面氧化皮，加工成Φ16mm×4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
将装配好的样品放置在真空炉中进行瞬间液相连接，连接温度为1200℃，时间为240分钟，炉内气压不高于8×10-2Pa。焊接结束后炉冷至室温。
图3是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图4是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
实施例2
本实施例镍基高温合金为K465，其化学成分为：Cr：10-15wt.％；W：5-8wt.％；Si：2～5wt.％；B：1.5-3.0wt.％；镍为余量。
中间层合金化学成分为：硼：3％；硅：2％；钨：9％；铬：12％；铁：6％；镍为余量。
去除合金棒表面氧化皮，加工成Φ16mm×4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
将装配好的样品放置在真空炉中进行瞬间液相连接，连接温度为1150℃，时间为210分钟，炉内气压不高于8×10-2Pa。焊接结束后炉冷至室温。
图5是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图6是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
实施例3
本实施例镍基高温合金为K465，其化学成分为：Cr：10-15wt.％；W：5-8wt.％；Si：2～5wt.％；B：1.5-3.0wt.％；镍为余量。
中间层合金化学成分为：硼：2％；硅：3％；钨：9％；铬：12％；铁：6％；镍为余量。
去除合金棒表面氧化皮，加工成Φ16mm×4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
将装配好的样品放置在真空炉中进行瞬间液相连接，连接温度为1170℃，时间为180分钟，炉内气压不高于8×10-2Pa。焊接结束后炉冷至室温。
图7是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图8是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
实施例4
本实施例为304不锈钢，其化学成分为：Cr：15.5～16.5wt.％；Co：8.0～9.0wt.％；W：5.6～6.4wt.％；Al：3.6～4.2wt.％；Ti：3.6～4.2％；Ta：0.7～1.2wt.％；镍为余量。
中间层合金化学成分为：硼：2％；硅：2％；钨：7％；铬：15％；铁：6％；镍为余量。
去除合金棒表面氧化皮，加工成Φ16mm×4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层流失。
将装配好的样品放置在真空炉中进行瞬间液相连接，连接温度为1200℃，时间为240分钟，炉内气压不高于8×10-2Pa。焊接结束后炉冷至室温。
图9是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图10是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
实施例5
本实施例为304不锈钢，其化学成分为：Cr：15.5～16.5wt.％；Co：8.0～9.0wt.％；W：5.6～6.4wt.％；Al：3.6～4.2wt.％；Ti：3.6～4.2％；Ta：0.7～1.2wt.％；镍为余量。
中间层合金化学成分为：硼：2％；硅：2％；钨：10％；铬：12％；铁：6％；镍为余量。
去除合金棒表面氧化皮，加工成Φ16mm×4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态中间层合金流失。
将装配好的样品放置在真空炉中进行焊接，焊接温度为1210℃，时间为200分钟，炉内气压不高于8×10-2Pa。焊接结束后炉冷至室温。
图11是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图12是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。
实施例6
本实施例为304不锈钢，其化学成分为：Cr：15.5～16.5wt.％；Co：8.0～9.0wt.％；W：5.6～6.4wt.％；Al：3.6～4.2wt.％；Ti：3.6～4.2％；Ta：0.7～1.2wt.％；镍为余量。
中间层合金化学成分为：硼：2％；硅：2％；钨：10％；铬：15％；铁：4.5％；镍为余量。
去除合金棒表面氧化皮，加工成Φ16mm×4mm的样品。使用800号砂纸将待焊接面磨平和磨光，在丙酮和酒精中分别超声清洗15分钟去除样品表面油污。将中间层合金放置在两个待焊样品之间，用夹具固定，在样品外表面涂阻流剂防止液态钎料流失。
将装配好的样品放置在真空炉中进行瞬间液相连接，连接温度为1210℃，时间为180分钟，炉内气压不高于8×10-2Pa。焊接结束后炉冷至室温。
图13是焊接后样品的微观组织，可见，样品内没有出现液化现象。图14是连接后样品的拉伸性能测试结果，可见，焊接后合金(接头)的抗拉强度达到母材65％以上。

Claims (5)

1.一种镍基高温合金或不锈钢连接用含硅硼的中间层合金，其特征在于：该中间层合金为镍基合金，按重量百分含量计，合金化学成分为：硼2～3.5％，硅1～3％，钨4～10％，铬10～15％，铁3～6％，镍为余量。
2.根据权利要求1所述的含硅硼的中间层合金，其特征在于：所述中间层合金为非晶态箔带状，采用甩带法制备获得。
3.根据权利要求2所述的含硅硼的中间层合金，其特征在于：所述箔带状的中间层合金其宽度为25～55mm，厚度为35～55μm。
4.根据权利要求1所述含硅硼的中间层合金的应用，其特征在于：所述含硅硼的中间层合金用于镍基高温合金或不锈钢的连接，连接方式为瞬间液相连接。
5.根据权利要求4所述含硅硼的中间层合金的应用，其特征在于：所述中间层合金在1050～1250℃进行瞬间液相连接，所用时间为100～240分钟。
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