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CN109623201A - 一种用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料及其制备方法 - Google Patents

一种用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料及其制备方法，属于镍基高温合金钎焊技术领域。本发明所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：B 2.5‑3.5％、Si 1.5‑4.5％、Ni余量。本发明制备的镍基钎料对镍基高温合金具有良好的润湿性和流动性，钎焊接头强度高、耐高温氧化腐蚀，具有很大的应用前景。

Description

一种用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料及其制备方法，属于镍基高温合金钎焊技术领域。
背景技术
镍基高温合金因其具有优异的高温强度、良好的抗氧化腐蚀性能和加工性能、持久的疲劳寿命，在航空航天、石油化工及核工业等领域被广泛的应用。在镍基高温合金的实际应用中常常涉及到焊接工作，例如航空发动机机闸、蜂窝封严环等复杂工件均需将各镍基高温合金零件焊接成整体结构。钎焊能够得到结构致密、无气孔、变形小的接头，实现各零部件安全可靠的连接，并且具有处理复杂工件和批量生产优点，故钎焊成为焊接镍基高温合金的有效方法。
用于焊接镍基高温合金的钎料主要有铜基钎料、银基钎料、金基钎料和镍基钎料。由于铜基钎料的耐高温氧化性能较差，银基和金基钎料的成本较高，因此低成本，耐高温氧化腐蚀的镍基钎料成为钎焊镍基高温合金最普遍的钎料。镍基钎料中通常含有B、Si、P等元素。此类元素在降低钎料熔点，提高润湿性、流动性等性能的同时，在接头处产生大量脆性化合物，严重损害了接头的综合性能。此外随着快冷技术的发展，镍基非晶箔带被制备出来并应用于镍基高温合金焊接。箔带钎料相比于传统的粉末、膏状钎料，具备有成分更均匀，润湿性流动性更好，扩散效率更高的优点。
文献“B.Binesh,A.J.Gharehbagh.Transient liquid phase bonding ofIN738LC/MBF-15/IN738LC:solidification behavior and mechanicalproperties.Journal of Materials Science&Technology,2016,32:1137-1151.”采用Ni-Cr-Fe-Si-B钎料钎焊IN738LC镍基合金，表明脆性硼化物产生于扩散区，焊缝中央处则形成了连续的硅化物，严重降低了接头的抗拉强度。
文献“D.Liu,Y.Song,et al.Vacuum brazing of GH99 superalloy usinggraphene reinforced BNi-2composite filler.Journal of Materials Science&Technology,2018,34:1843–1850.”采用石墨烯加强BNi-2粉末钎料钎焊GH99镍基合金，其最大剪切强度为410MPa。
为进一步提高钎焊镍基高温合金的综合质量，将有必要对镍基钎料的成分进行优化来减少脆性化合物的产生，并将其制备成箔带，从而得到更加安全可靠的钎焊接头。
发明内容
本发明通过改进镍基钎料的配方，得到一种成型性良好、钎焊接头脆性化合物较少、强度高，适用于镍基高温合金钎焊用的镍基钎料，解决了上述的问题。
本发明提供了一种用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料，所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
B 2.5-3.5％
Si 1.5-4.5％
Ni 余量。
本发明优选为所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
本发明优选为所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
B 3.40％
Si 4.41％
Ni 余量。
本发明优选为所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
本发明优选为所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
本发明优选为所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
本发明另一目的为提供一种上述镍基钎料的制备方法，所述制备方法为按预定质量百分比，先将Ni、Cr、B和Si混合熔炼，再通过铜辊快速凝固工艺制备得到镍基钎料箔带。
本发明优选为所述镍基钎料箔带的厚度为45-55μm。
本发明围绕团簇+连接原子模型，设计出非晶成型性好的钎料成分，以便于制备钎料箔带，同时调整钎料中B、Si的含量来减少脆性化合物的生成，从而提高钎焊接头强度。
本发明有益效果为：
本发明制备的镍基钎料对镍基高温合金具有良好的润湿性和流动性，钎焊接头强度高、耐高温氧化腐蚀，具有很大的应用前景。
附图说明
本发明附图2幅，
图1为实施例2制备的镍基高温合金钎焊接头组织图；
图2为实施例3制备的镍基高温合金钎焊接头组织图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中镍基钎料的制备方法包括如下步骤：
设计镍基钎料成分：基于团簇加连接原子模型和非晶成分设计的24电子判据，在Ni-B二元相图中选取B含量最低的Ni83B17共晶点，得到团簇式1([B-Ni9]B2Ni)和团簇式2([Ni-Ni12]B2Ni+[B-Ni9]B2Ni)，并用Cr、Si原子来部分替换团簇式中的Ni、B原子，从而提高钎料的成型性、抗氧化性等综合性能，最终根据团簇式1得到[B-Ni9]BSiNi(实施例1)和[B-Ni9]BSiCr(实施例2)，根据团簇式2得到[Cr-Ni12]B2Cr+[B-Ni8Cr1]BSiCr(实施例3)和[Cr-Ni12]B2Cr+[B-Ni9]BSiCr(实施例4)。
熔炼合金锭：按预定质量百分比，将原料(纯度99.9％以上)混合，并使用电弧熔炼炉进行熔炼，熔炼4次后得到成分均匀的合金锭。
制备镍基钎料箔带：将熔炼得到的合金锭剪碎，放入扁口石英管，并装配于具有感应加热线圈的铜辊快速凝固设备中，感应加热石英管中的合金锭，合金锭熔化后，在喷射压作用下向高速转动(线速度为40m/s)的铜辊表面连续喷射熔融液体，急速冷却后得到质地均匀的镍基钎料箔带(厚度为50μm)。
实施例1
一种镍基钎料箔带的制备方法，所述制备方法为：按表1中配方1，先将原料混合熔炼，再通过铜辊快速凝固工艺制备得到镍基钎料箔带。
测试实验：
试样处理将镍基高温合金(GH4169)线切割成所需尺寸大小，用砂纸将试样待焊面打磨光滑，丙酮超声清洗15min；
试样装配将实施例1制备的镍基钎料箔带剪成小片，与待焊试样装配成试样/钎料/试样的形式；
钎焊实验将装配好的试样放置于真空钎焊炉中抽真空，当炉内真空度到达5×10- 3Pa时开始加热，先以20℃/min加热至900℃，保温10min，再以10℃/min加热至特定温度1240℃，保温20min，最后随炉冷却至室温。
采用实施例1方法可得到安全可靠的镍基高温合金钎焊接头，其室温剪切强度为814MPa。
实施例2
一种镍基钎料箔带的制备方法，所述制备方法为：按表1中配方2，先将原料混合熔炼，再通过铜辊快速凝固工艺制备得到镍基钎料箔带。
测试实验：
试样处理将镍基高温合金(GH4169)线切割成所需尺寸大小，用砂纸将试样待焊面打磨光滑，丙酮超声清洗15min；
试样装配将实施例2制备的镍基钎料箔带剪成小片，与待焊试样装配成试样/钎料/试样的形式；
钎焊实验将装配好的试样放置于真空钎焊炉中抽真空，当炉内真空度到达5×10- 3Pa时开始加热，先以20℃/min加热至900℃，保温10min，再以10℃/min加热至特定温度1180℃，保温20min，最后随炉冷却至室温。
采用实施例2方法可得到安全可靠的镍基高温合金钎焊接头，其室温剪切强度为590MPa。
实施例3
一种镍基钎料箔带的制备方法，所述制备方法为：按表1中配方3，先将原料混合熔炼，再通过铜辊快速凝固工艺制备得到镍基钎料箔带。
测试实验：
试样处理将镍基高温合金(GH4169)线切割成所需尺寸大小，用砂纸将试样待焊面打磨光滑，丙酮超声清洗15min；
试样装配将实施例3制备的镍基钎料箔带剪成小片，与待焊试样装配成试样/钎料/试样的形式；
钎焊实验将装配好的试样放置于真空钎焊炉中抽真空，当炉内真空度到达5×10- 3Pa时开始加热，先以20℃/min加热至900℃，保温10min，再以10℃/min加热至特定温度1240℃，保温20min，最后随炉冷却至室温。
采用实施例3方法可得到安全可靠的镍基高温合金钎焊接头，其室温剪切强度为820MPa。
实施例4
一种镍基钎料箔带的制备方法，所述制备方法为：按表1中配方4，先将原料混合熔炼，再通过铜辊快速凝固工艺制备得到镍基钎料箔带。
测试实验：
试样处理将镍基高温合金(GH4169)线切割成所需尺寸大小，用砂纸将试样待焊面打磨光滑，丙酮超声清洗15min；
试样装配将实施例4制备的镍基钎料箔带剪成小片，与待焊试样装配成试样/钎料/试样的形式；
钎焊实验将装配好的试样放置于真空钎焊炉中抽真空，当炉内真空度到达5×10- 3Pa时开始加热，先以20℃/min加热至900℃，保温10min，再以10℃/min加热至特定温度1240℃，保温20min，最后随炉冷却至室温。
采用实施例4方法可得到安全可靠的镍基高温合金钎焊接头，其室温剪切强度为814MPa。
表1
对比例1
“张启运,庄鸿寿.钎焊手册[M].北京:机械工业出版社,2017,282-283.”以金基钎料82.5Au-17.5Ni真空钎焊GH4169合金，其最大剪切强度为320MPa。
对比例2
“宋晓国,曹健,冯吉才,等.连接温度对GH4169合金TLP接头界面组织和性能的影响.中国有色金属学报,2012,22,2516-2521.”采用Ni82CrSiB钎料焊接GH4169合金，其最大拉伸强度为692MPa。

Claims (8)

1.一种用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料，其特征在于：所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
B 2.5-3.5％
Si 1.5-4.5％
Ni 余量。
2.根据权利要求1所述用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料，其特征在于：所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
3.根据权利要求2所述用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料，其特征在于：所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
B 3.40％
Si 4.41％
Ni 余量。
4.根据权利要求2所述用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料，其特征在于：所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
5.根据权利要求2所述用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料，其特征在于：所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
6.根据权利要求2所述用于镍基高温合金钎焊的镍基钎料，其特征在于：所述镍基钎料，按质量百分比，由下述组份组成：
7.权利要求1、2、3、4、5或6所述镍基钎料的制备方法，其特征在于：所述制备方法为按预定质量百分比，先将Ni、Cr、B和Si混合熔炼，再通过铜辊快速凝固工艺制备得到镍基钎料箔带。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述镍基钎料箔带的厚度为45-55μm。
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