一種提高gh4099焊接接頭強度的擴散焊方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法。
【背景技術】
[0002] GH4099合金是Ni-Cr基沉淀強化型高溫合金，合金元素的加入使材料具有較高的 熱強性，最高使用溫度可達l〇〇〇°C。在航空發動機燃燒室和加力燃燒室等高溫結構件的制 造中具有廣泛的應用。由于異質元素擴散的局限性，實現GH4099的高強擴散連接已成為衡 量結構件質量的關鍵指標。
[0003] 文獻《連接溫度對GH4169合金TLP接頭界面組織和性能的影響》公開了一種GH4169 高溫合金的瞬間液相擴散焊方法。采用50μπι厚的Ni82CrSiB非晶箱片作為中間層，焊接溫度 范圍為1060-1160°C，保溫時間為2h。當焊接溫度為1120°C時，接頭室溫和高溫(600°C)抗拉 強度最高，分別為692和599MPa，為母材強度的82%和71 %，接頭斷裂位置均在中間層處，沒 有達到高強連接的效果。
[0004] 文獻《GH4169合金真空擴散連接接頭的組織和性能》公開了兩種高溫合金GH4169 的擴散焊接方法。第一種方法是GH4169的直接擴散連接，焊接溫度范圍為950-1150°C，保溫 時間范圍為60-120min，焊接壓力范圍為20-40MPa，室溫下最高抗拉強度為658MPa，接頭拉 伸斷面為典型解理面的脆性斷口。第二種方法是將20μπι厚銅箱作為中間層實現GH4169的擴 散焊。當連接溫度達到1020°C，焊接時間為90min，焊接壓力為20MPa時，接頭強度達到 745MPa。此種方法的接頭強度有所提升，但力學性能仍低于母材試樣，沒有實現高溫合金的 等強連接。
[0005] 因而現有研究基礎上，GH4099的焊接接頭性能并不能滿足實際工程應用的需求， 接頭性能相比母材劣化明顯。
【發明內容】
[0006] 本發明的發明目的在于提供一種提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法，可以在 實現GH4099焊接接頭高強連接的同時，又保證了高溫使用性能。
[0007] 本發明的技術方案:所提供的提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法，包括以下 步驟：
[0008] 步驟1將鎳鉻合金箱材和GH4099焊接接頭待焊表面打磨、清洗，冷風吹干備用； [0009]步驟2將步驟1處理后的鎳鉻合金箱材放置于兩個GH4099焊接接頭之間，構成被焊 工件；
[0010] 步驟3將被焊工件放置于擴散焊爐上壓頭與下壓頭之間，上壓頭、下壓頭與被焊工 件之間分別設置阻焊層，然后施加預壓力（固定被焊工件），關閉爐門；
[0011] 步驟4對擴散焊爐進行抽真空，當焊接真空度不低于HT2Pa時開始加熱，并采用超 聲振動，當焊接溫度升至1000-1040 °C，施加27-32MPa的軸向焊接壓力，保溫1-1.5h，然后卸 去壓力和振動，隨爐冷卻，完成焊接。
[0012]上述步驟1中鎳絡合金箱材厚度為1-5μηι。
[0013] 上述步驟1中鎳絡合金箱材的Cr成分范圍為21_25wt. %。
[0014] 上述步驟4中超聲振動的振動頻率為20-50kHz、振幅為10-30μπι。
[0015]本發明的優點：
[0016] 1、本發明的擴散焊中間層選用GH4099的主要基體元素 Ni、Cr構成鎳鉻合金箱材 (Cr成分范圍為21-25wt.%)，中間層的設計不引入GH4099中AUTi等活性金屬組元，防止含 有活性金屬組元的中間層在擴散焊過程中生成表面氧化層以及高溫強化相阻礙原子擴散。
[0017] 2、本發明的擴散焊中間層厚度僅為1-5μπι，既可以大大降低擴散連接所需的時間， 提高生產效率，減小過長時間對母材性能退化的影響；又有利于母材與中間層元素的相互 擴散，焊后兩者組織成分相似。
[0018] 3、本發明在GH4099擴散焊過程中引入超聲振動，可以有效地對焊接過程中金屬氧 化膜進行破碎，加快焊接界面的原子擴散。
[0019] 4、本發明獲得的GH4099擴散焊接頭無微觀缺陷，焊合率高，軸向變形率小，焊后強 度達到了母材的100 %。
[0020] 5、本發明獲得的GH4099擴散焊接頭高溫強度和一定載荷下的抗蠕變性能與母材 相當。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發明被焊工件的結構示意圖。
[0022] 附圖標記如下：
[0023] 1-阻焊層;2-鎳鉻合金箱材;3-上壓頭;4-GH4099焊接接頭;5-下壓頭。
【具體實施方式】 [0024] 實施例1:
[0025] GH4099焊接接頭的真空擴散焊，步驟如下：
[0026] 如圖1所示的待焊工件為Φ 38mmX 35.5mm的棒狀GH4099。
[0027] 選取4μπι厚鎳鉻合金箱材(Cr 25wt.%和Ni 75wt.%)作為中間層，用砂紙打磨鎳 鉻合金箱材2和GH4099待焊工件表面，使其表面粗糙度小于Ιμπι，經酒精溶液超聲清洗5min 后，冷風吹干備用。
[0028]將上述材料進行裝卡，將鎳鉻合金箱材2放入GH4099焊接接頭4基體之間，構件被 焊工件，將被焊工件放置于擴散焊爐上壓頭3與下壓頭5之間，上壓頭3、下壓頭4與被焊工件 之間分別設置阻焊層1，并施加〇. 5MPa的預壓力，關閉爐門；
[0029] 對真空擴散焊爐進行抽真空，當焊接真空度達到3.5 X HT2Pa時開始加熱，加熱速 率為10°C/min，并施加振動頻率30kHz、振幅為20μπι的超聲振動，升溫至1020°C，施加30MPa 的軸向壓力，保溫1.2h，保溫結束后卸去壓力和振動，隨爐冷卻工件。
[0030] 焊后接頭的測試結果為：
[0031] a)軸向變形率小，僅為2.19%;
[0032] b)光學顯微鏡測試結果表明，焊接接頭無微觀缺陷，焊合率高；
[0033] c)化學成分分析測試結果表明，接頭成分均勻，中間層與母材成分無明顯差異；
[0034] d)力學性能測試結果表明，拉伸試樣斷于母材，接頭室溫抗拉強度為1055MPa，高 于焊后母材強度，延伸率為16.74%，；
[0035] e)高溫性能測試結果表明，測試溫度為900 °C時，抗拉強度為427MPa，蠕變壽命為 51 h，保證了 GH4099的高溫使用性能。
[0036] 實施例2:
[0037]區別于實施例1，其鎳絡合金箱材中間層厚度由4μηι減小至ΙμL?，焊接壓力由30Mpa 減少至27Mpa，經對焊后接頭測試結果表明，拉伸試樣斷于母材，接頭室溫抗拉強度為 1046MPa〇
[0038] 實施例3:
[0039]區別于實施例1，在焊接過程中，超聲振動振幅由20μπι變為ΙΟμπι，經對焊后接頭測 試結果表明，拉伸試樣斷于母材，接頭室溫抗拉強度為1052MPa。
[0040] 實施例4:
[0041] 區別于實施例1，其鎳鉻合金箱材中間層厚度由4μπι增加至ΙΟμπι，經對焊后接頭測 試結果表明，拉伸試樣斷于焊接接頭，接頭室溫抗拉強度為821MPa。分析其原因在于，中間 層厚度過厚，導致中間層在焊接過程中未與母材完成發生反應，殘留在焊接接頭中，導致焊 接接頭的力學性能下降。
[0042] 實施例5:
[0043]區別于實施例1，其鎳鉻合金箱材中間層成分由Ni75Cr25改為Ni20Cr80,經對焊后 接頭測試結果表明，拉伸試樣斷于焊接接頭，接頭室溫抗拉強度為967MPa。分析其原因在 于，中間層Cr含量遠高于母材，超出母材基體的溶解度，形成不利于焊接的復雜組織，導致 焊接接頭的力學性能下降。
[0044] 實施例6:
[0045] 區別于實施例1，在焊接過程中，未施加超聲振動，經對焊后接頭測試結果表明，拉 伸試樣斷于焊接接頭，接頭室溫抗拉強度為925MPa。分析其原因在于，在焊接過程中產生金 屬氧化膜，阻礙了原子擴散，導致焊接接頭的力學性能下降。
[0046]通過對比上述六組實施例可知，本發明中所述的提高GH4099焊接接頭強度的擴散 焊方法具有不可替代性優勢，即采用1_5μπι厚的鎳鉻合金箱材(Cr成分范圍為21-25wt.%) 作為中間層，擴散焊過程中引入超聲振動(頻率為20_50kHz、振幅為10-30μπι)，在合理的焊 接工藝規范帶下(焊接溫度1000-1040°C、軸向焊接壓力27-32MPa、保溫時間l-1.5h)，即可 獲得高強的GH4099擴散焊接頭。
[0047]表六組實施例焊接方案對比
【主權項】
1. 一種提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1將鎳鉻合金箱材和GH4099焊接接頭待焊表面打磨、清洗，冷風吹干備用； 步驟2將步驟1處理后的鎳鉻合金箱材放置于兩個GH4099焊接接頭之間，構成被焊工 件； 步驟3將被焊工件放置于擴散焊爐上壓頭與下壓頭之間，上壓頭、下壓頭與被焊工件之 間分別設置阻焊層，然后施加預壓力，關閉爐門； 步驟4對擴散焊爐進行抽真空，當焊接真空度不低于l(T2Pa時開始加熱，并采用超聲振 動，當焊接溫度升至1000-1040 °C，施加27-32MPa的軸向焊接壓力，保溫1-1.5h，然后卸去壓 力和振動，隨爐冷卻，完成焊接。2. 根據權利要求1所述的提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法，其特征在于:所述步 驟1中鎳鉻合金箱材厚度為1-5μπι。3. 根據權利要求1或2所述的提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法，其特征在于:所 述步驟1中鎳絡合金箱材的Cr成分范圍為21-25wt. %。4. 根據權利要求3所述的提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法，其特征在于:所述步 驟4中超聲振動的振動頻率為20-50kHz、振幅為10-30μπι。
【專利摘要】本發明提供一種提高GH4099焊接接頭強度的擴散焊方法，首先將鎳鉻合金箔材和GH4099焊接接頭待焊表面打磨、清洗，冷風吹干備用，將處理后的鎳鉻合金箔材放置于兩個GH4099焊接接頭之間，構成被焊工件；然后將被焊工件放置于擴散焊爐上壓頭與下壓頭之間，上壓頭、下壓頭與被焊工件之間分別設置阻焊層，然后施加預壓力，關閉爐門；最后對擴散焊爐進行抽真空，并采用超聲振動，施加軸向焊接壓力，保溫，然后卸去壓力和振動，隨爐冷卻，完成焊接。本發明既可以大大降低擴散連接所需的時間，提高生產效率，減小過長時間對母材性能退化的影響；又有利于母材與中間層元素的相互擴散，焊后兩者組織成分相似。
【IPC分類】B23K20/10, B23K20/24, B23K20/14
【公開號】CN105665918
【申請號】CN201610173216
【發明人】孫福, 王莉敏, 邵長斌, 許華輝, 李鵬飛
【申請人】西安智拓精密焊接科技有限公司
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月24日