本發(fā)明屬于金屬焊接，具體涉及一種鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法。

背景技術(shù)：

1、鎳基高溫合金由于cr、co、w、ti等元素的綜合強(qiáng)化，使合金具有較高的熱強(qiáng)性，可長(zhǎng)期在900℃以下的溫度使用，常用于制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，如燃燒室、渦輪葉片等零部件。鈮合金作為新一代宇航材料，其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度與塑性，最高使用溫度可達(dá)1800℃。該合金還可在2000℃短時(shí)使用，應(yīng)用范圍從雙元液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推廣到多種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉部和擴(kuò)散段、飛行表演飛機(jī)用零件、航天用鉚釘、閥門(mén)、探月工程自控發(fā)動(dòng)機(jī)等部位，也可用于燃?xì)獍l(fā)生器活門(mén)組件、耐高溫管件和閥門(mén)等。然而，這兩種材料的焊接兼容性差，傳統(tǒng)的焊接方法容易導(dǎo)致接頭性能下降，如脆化、裂紋等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠有效連接這兩種材料且保持其性能的焊接技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。因此實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金與鈮合金的高質(zhì)量連接對(duì)航空、航天工業(yè)的發(fā)展有重要意義。

2、曾有學(xué)者利用難熔金屬nb+ni中間層對(duì)鎳基高溫合金gh4169與ti2alnb進(jìn)行擴(kuò)散連接。該焊接結(jié)構(gòu)可以視為nb+ni分別與gh4169與ti2alnb單獨(dú)擴(kuò)散連接。通過(guò)對(duì)接頭組織分析發(fā)現(xiàn)，在靠近gh4169生成了fe-ni-cr固溶體，ni3nb和ni6nb7，剪切實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，接頭斷裂主要沿ni3nb與ni層之間的ni6nb7層斷裂。(錢(qián)錦文，李京龍，侯金保等.nb+ni中間層對(duì)ti2alnb與gh4169擴(kuò)散連接接頭組織與性能影響.航空材料學(xué)報(bào)，2009，29(01):57-62.)。李海新等人使用ti/nb復(fù)合中間層對(duì)tial與gh4099合金進(jìn)行擴(kuò)散連接時(shí)(李海新，魏紅梅，何鵬等.tial/ti/nb/gh99擴(kuò)散連接接頭的界面組織結(jié)構(gòu)及接頭強(qiáng)度.焊接學(xué)報(bào)，2012，33(9)：9-12，113.)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接溫度大于900℃時(shí)，界面處生成對(duì)接頭強(qiáng)度有不利影響n(yōu)i6nb7反應(yīng)層，當(dāng)ni6nb7反應(yīng)層厚度較大時(shí)，在連接接頭內(nèi)應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生裂紋，同時(shí)剪切試驗(yàn)時(shí)接頭斷裂也發(fā)生在ni6nb7反應(yīng)層中。

3、總之，目前公開(kāi)報(bào)道的鎳基高溫合金與鈮合金連接的方法較少，但是使用中間層連接鈮合金的設(shè)想是可行的。鈮合金的高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率且成分復(fù)雜，以及鎳基合金良好的高溫強(qiáng)度，使其擴(kuò)散焊過(guò)程中較難發(fā)生塑性變形，對(duì)其擴(kuò)散連接造成極大的困難，而且在擴(kuò)散區(qū)容易出現(xiàn)脆性金屬間化合物ni6nb7，嚴(yán)重制約接頭的力學(xué)性能，甚至在焊后沿脆性層發(fā)生開(kāi)裂，不能獲得牢固的接頭，無(wú)論室溫還是高溫強(qiáng)度都較低。因此亟需開(kāi)發(fā)一種新型的連接方法，要使鎳基高溫合金和鈮合金焊接接頭實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量連接，具有足夠高的強(qiáng)度以達(dá)到服役要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有鎳基高溫合金與鈮合金連接困難、易產(chǎn)生脆性相的問(wèn)題，提供一種使用中間層的新思路，能夠?qū)崿F(xiàn)鎳基高溫合金和鈮合金在微觀層面的高效結(jié)合，在擴(kuò)散連接過(guò)程中形成固溶體接頭，避免了元素?cái)U(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生大量ni6nb7脆性相，保證了焊接接頭的力學(xué)性能，而提供一種鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接的方法。

2、本發(fā)明鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：

3、一、對(duì)待焊接的鎳基高溫合金和鈮合金的表面進(jìn)行打磨，然后超聲波清洗，得到清洗后的鎳基高溫合金和鈮合金；

4、二、制備ti-mo-cr中間層或者v-cr中間層，將中間層置于清洗后的鎳基高溫合金和鈮合金的待擴(kuò)散連接表面之間，當(dāng)采用ti-mo-cr中間層時(shí)，中間層的ti金屬(箔)與鈮合金的待擴(kuò)散連接表面接觸，中間層的cr金屬(箔)與鎳基高溫合金的待擴(kuò)散連接表面接觸；

5、當(dāng)采用v-cr中間層時(shí)，中間層的v金屬(箔)與鈮合金的待擴(kuò)散連接表面接觸，中間層的cr金屬(箔)與鎳基高溫合金的待擴(kuò)散連接表面接觸；

6、對(duì)待焊接的鎳基高溫合金、中間層和鈮合金施加夾緊壓力，得到待焊裝配件；

7、三、將待焊件置于高溫真空擴(kuò)散爐中，抽真空至工作真空度；

8、四、升溫加熱，施加工作壓力，控制連接溫度為900～1300℃進(jìn)行擴(kuò)散連接，保溫后降至室溫，完成鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接。

9、本發(fā)明提出了一種鎳基高溫合金與鈮合金擴(kuò)散連接的方法，使用ti-mo-cr或者v-cr作中間層，以ti-mo-cr中間層為例，在高溫連接擴(kuò)散過(guò)程中，ni、cr、nb等元素在濃度梯度下發(fā)生擴(kuò)散，中間層的存在改變了接頭的化合物成分，避免在鈮合金和鎳基合金之間生成金屬間化合物，通過(guò)固溶體組織實(shí)現(xiàn)兩者間良好的結(jié)合。在反應(yīng)過(guò)程中，ni和cr、cr和mo、mo和ti、ti和nb能夠?qū)崿F(xiàn)較大的固溶，在一定的溫度、時(shí)間和壓力下形成固溶形式的連接界面，并通過(guò)優(yōu)化擴(kuò)散連接工藝獲得牢固的冶金結(jié)合。ti-mo-cr中間層能夠阻擋高溫合金元素的擴(kuò)散，限制了脆性相的產(chǎn)生，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)原子間的鍵合，形成可靠的連接。減少了在連接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，因而能夠獲得相對(duì)較高的接頭強(qiáng)度，保證接頭的力學(xué)性能。

10、本發(fā)明鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法的操作簡(jiǎn)單易行，豐富了鎳基高溫合金與鈮合金連接技術(shù)種類(lèi)，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于該真空擴(kuò)散連接方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟一中所述的鎳基高溫合金為gh鎳基高溫合金、k鎳基鑄造高溫合金、粉末冶金鎳基高溫合金、inconel合金或monel合金。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟一中所述的鈮合金為nb521合金、nb-33ta-0.75zr合金、c-103合金、scb-291合金、nb-0.75zr合金、nb-10ti合金或純鈮。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟一中依次采用400#、800#、1200#、1500#、2000#和3000#的碳化硅水磨砂紙對(duì)待焊接的鎳基高溫合金和鈮合金的表面進(jìn)行打磨。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟二中將ti金屬箔、mo金屬箔和cr金屬箔依次疊放制備ti-mo-cr中間層，或者將ti金屬箔、mo金屬箔和cr金屬箔依次疊放，然后以1000℃～1400℃的溫度進(jìn)行真空擴(kuò)散制備得到ti-mo-cr中間層；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟二中所述的ti-mo-cr中間層或者v-cr中間層的厚度為50～500μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟四中施加的工作壓力的大小為5～50mpa。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟四中升溫加熱的速率為5℃/min～15℃/min。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟四中連接溫度為900～1300℃，保溫30～180min進(jìn)行擴(kuò)散連接。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，其特征在于步驟四中控制冷卻降溫速率為2℃/min～10℃/min。

技術(shù)總結(jié)
一種鎳基高溫合金與鈮合金真空擴(kuò)散連接方法，本發(fā)明為了解決現(xiàn)有鎳基高溫合金與鈮合金連接困難、易產(chǎn)生脆性相的問(wèn)題。真空擴(kuò)散方法：一、對(duì)待焊接的鎳基高溫合金和鈮合金表面進(jìn)行打磨、超聲波清洗；制備Ti?Mo?Cr中間層或者V?Cr中間層，將中間層置于清洗后的鎳基高溫合金和鈮合金的待擴(kuò)散連接表面之間，得到待焊裝配件；三、將待焊件置于高溫真空擴(kuò)散爐中抽真空；四、施加工作壓力，控制連接溫度為900～1300℃進(jìn)行擴(kuò)散連接。本發(fā)明通過(guò)中間層能改變接頭的化合物成分，限制了脆性相的產(chǎn)生，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)原子間的鍵合，形成可靠的連接，能夠獲得相對(duì)較高的接頭強(qiáng)度。

技術(shù)研發(fā)人員：李淳,王潤(rùn)杰,劉奇,秦中環(huán),梁金柱,曹健,司曉慶,楊博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2