本發(fā)明屬于固相焊接，具體涉及一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著航空發(fā)動機(jī)高推比發(fā)展的迫切需求，高溫合金具有優(yōu)異的抗蠕變性能、耐高溫性能和耐腐蝕性，已成為高性能航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子等熱端部件的首選材料。慣性摩擦焊接作為一種典型的固相焊接技術(shù)，可有效避免傳統(tǒng)熔焊過程中易出現(xiàn)的氣孔、裂紋及夾渣等缺陷。然而，復(fù)雜多變的服役環(huán)境對接頭強(qiáng)度要求極為嚴(yán)苛。此外，由于焊接界面產(chǎn)熱和壓力分布不均勻，導(dǎo)致接頭組織與性能呈現(xiàn)徑向不均勻性，進(jìn)而影響接頭成形質(zhì)量。因此，提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性，對提升航空發(fā)動機(jī)熱端部件的性能與可靠性具有重要意義。

2、文獻(xiàn)“熱處理工藝對fgh96合金慣性摩擦焊組織與顯微硬度的影響,張春波,梁武,周軍,等,焊接學(xué)報(bào),2023,44(8):57-62”報(bào)道了時效熱處理對fgh96合金慣性摩擦焊接頭組織與顯微硬度的影響，研究發(fā)現(xiàn)時效處理后焊縫區(qū)域內(nèi)二次γ′相的含量與形貌變化規(guī)律與焊態(tài)相似，焊縫中心區(qū)二次γ′相完全溶解；自焊縫中心沿軸線方向，二次γ′相的含量逐漸上升后趨于穩(wěn)定；由于三次γ′相的少量析出，焊縫區(qū)域以及熱力影響區(qū)顯微硬度整體顯著提高。二次γ′相能夠通過沉淀強(qiáng)化和位錯交互作用提高接頭的綜合性能，但現(xiàn)有技術(shù)中通過焊后時效處理后，二次γ′相的含量及分布未發(fā)生明顯變化，尤其是焊核區(qū)無明顯強(qiáng)化相析出，因而對接頭性能的強(qiáng)化效果有待增強(qiáng)。

3、文獻(xiàn)“時效處理對粉末高溫合金慣性摩擦焊接頭室溫拉伸行為的影響,周曉明,馮業(yè)飛,曾維虎,等,粉末冶金技術(shù),2021,39(1):41-48”報(bào)道了經(jīng)焊后時效處理后焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的室溫拉伸強(qiáng)度較焊態(tài)試樣顯著提高，但時效處理后拉伸試樣斷裂位置依然位于焊縫區(qū)，并表現(xiàn)出脆性斷裂特征。上述技術(shù)通過焊后時效處理來提高接頭強(qiáng)度，但接頭拉伸斷裂位置仍然位于焊縫處，影響接頭服役行為。這主要是由于焊后時效處理對接頭整體晶粒變化無顯著影響，接頭的徑向不均勻性會誘發(fā)接頭形成性能薄弱區(qū)，導(dǎo)致接頭變形不協(xié)調(diào)，極易造成接頭斷裂失效，限制其在裝備制造領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件中的應(yīng)用。

4、由此可見，為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的瓶頸難題，急需開發(fā)一種簡便且高效的工藝方法來同步促進(jìn)接頭強(qiáng)度與徑向均勻性的提升，實(shí)現(xiàn)對高溫合金慣性摩擦焊接頭組織與性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述提出的現(xiàn)有技術(shù)中存在接頭強(qiáng)度差以及徑向組織與性能分布不均勻等共性問題，本發(fā)明提供了一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，通過焊后固溶+雙級時效處理的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)焊接接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的顯著提升。

2、本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

3、一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，包括以下步驟：

4、步驟1：對高溫合金旋轉(zhuǎn)類工件待焊表面進(jìn)行逐級打磨，將打磨后的工件浸入無水乙醇溶液中進(jìn)行超聲波清洗，然后干燥備用；

5、步驟2：將待焊工件分別裝夾在機(jī)床旋轉(zhuǎn)端和滑移端，并校正和調(diào)整工件同心度；對待焊工件進(jìn)行焊接，焊接界面經(jīng)過塑性變形、再結(jié)晶、擴(kuò)散等過程實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；

6、步驟3：去除高溫合金旋轉(zhuǎn)類工件慣性摩擦焊接頭內(nèi)外側(cè)飛邊，使其達(dá)到工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；

7、步驟4：對焊后接頭進(jìn)行固溶強(qiáng)化處理：以恒定的升溫速率加熱到固溶溫度后進(jìn)行保溫，隨后自然冷卻至室溫；

8、步驟5：對固溶強(qiáng)化后的接頭進(jìn)行雙級時效強(qiáng)化處理：以恒定的升溫速率加熱到第一級時效溫度，保溫后以恒定的降溫速率冷卻至第二級時效溫度，保溫后自然冷卻至室溫。

9、作為本發(fā)明技術(shù)方案的補(bǔ)充，所述步驟4中，固溶強(qiáng)化處理工藝參數(shù)為：固溶溫度為1020～1140℃，優(yōu)選值為1080℃，固溶保溫時間為1～6h，升溫速率為300～600℃/h。

10、作為本發(fā)明技術(shù)方案的補(bǔ)充，所述步驟5中，雙級時效強(qiáng)化處理工藝參數(shù)為：第一級時效溫度為700～800℃，優(yōu)選值為760℃，第一級時效保溫時間為4～10h；第二級時效溫度為600～700℃，優(yōu)選值為650℃，第二級時效保溫時間為1～6h；升溫速率為300～600℃/h，降溫速率為10～200℃/h。

11、作為本發(fā)明技術(shù)方案的補(bǔ)充，所述高溫合金為鎳基高溫合金；所述鎳基高溫合金包括fgh98、fgh101、gh4065或gh4169等。

12、作為本發(fā)明技術(shù)方案的補(bǔ)充，所述步驟2中，慣性摩擦焊接工藝參數(shù)為：初始轉(zhuǎn)速為300～1000r/min，焊接壓力為20～500mpa，轉(zhuǎn)動慣量為30～500kg·m2。

13、作為本發(fā)明技術(shù)方案的補(bǔ)充，所述步驟3中，加工后表面粗糙度ra＜1.6μm。

14、作為本發(fā)明技術(shù)方案的補(bǔ)充，所述步驟1中，高溫合金旋轉(zhuǎn)類工件為內(nèi)徑為20～100mm、外徑為30～180mm的管狀結(jié)構(gòu)。

15、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

16、1)采用慣性摩擦焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)高溫合金旋轉(zhuǎn)類工件的高質(zhì)量連接，突破傳統(tǒng)熔焊過程中易形成氣孔、裂紋及夾雜等缺陷問題，改善界面結(jié)合狀態(tài)，為高溫合金構(gòu)件的精密連接提供了新的解決方案。

17、2)固溶強(qiáng)化處理有效促進(jìn)了cr、mo等合金強(qiáng)化元素的均勻分布，消除元素偏析，并實(shí)現(xiàn)了對接頭晶粒尺寸的精細(xì)調(diào)控，從而改善接頭徑向不均勻性。此外，固溶處理后一次γ'相幾乎完全溶解，在后續(xù)冷卻過程中，二次γ'相均勻析出分布于γ基體內(nèi)，顯著提高接頭強(qiáng)度。

18、3)通過分級時效強(qiáng)化處理，在冷卻過程中促進(jìn)了三次γ'相的彌散析出。利用析出相的釘扎作用，有效抑制了晶粒在高溫環(huán)境下的異常長大趨勢。相比于單級時效，分級時效可以提高三次γ'相的析出密度，并調(diào)控析出相的形貌，進(jìn)一步提升了接頭強(qiáng)度及徑向均勻性。

技術(shù)特征：

1.一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述固溶溫度為1020～1140℃，固溶保溫時間為1～6h，升溫速率為300～600℃/h。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述固溶溫度為1080℃。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述第一級時效溫度為700～800℃，第一級時效保溫時間為4～10h，升溫速率為300～600℃/h。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述第二級時效溫度為600～700℃，第二級時效保溫時間為1～6h；降溫速率為10～200℃/h。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述第一級時效溫度為760℃，所述第二級時效溫度為650℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、5或6所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述高溫合金為鎳基高溫合金；所述鎳基高溫合金包括fgh98、fgh101、gh4065或gh4169。

8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、5或6所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述步驟2中，慣性摩擦焊接工藝參數(shù)為：初始轉(zhuǎn)速為300～1000r/min，焊接壓力為20～500mpa，轉(zhuǎn)動慣量為30～500kg·m2。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述步驟3中，加工后表面粗糙度ra＜1.6μm。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，其特征在于，所述高溫合金旋轉(zhuǎn)類工件為內(nèi)徑為20～100mm、外徑為30～180mm的管狀結(jié)構(gòu)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種提升高溫合金慣性摩擦焊接頭強(qiáng)度及徑向均勻性的方法，屬于固相焊接技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用慣性摩擦焊接技術(shù)對高溫合金旋轉(zhuǎn)類工件進(jìn)行高質(zhì)量連接，由于接頭界面產(chǎn)熱和壓力分布不均勻，導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒生長受到影響，從而引起接頭徑向組織與性能分布不均勻，進(jìn)而誘發(fā)接頭形成性能薄弱區(qū)，導(dǎo)致接頭變形不協(xié)調(diào)，顯著影響接頭強(qiáng)度。本發(fā)明通過固溶強(qiáng)化與雙級時效強(qiáng)化協(xié)同作用使得接頭強(qiáng)度提高以及接頭徑向組織與性能均勻性顯著提升，促進(jìn)接頭發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶過程，改善接頭強(qiáng)化相γ′的組織形貌及分布，減少碳化物等析出相，實(shí)現(xiàn)對接頭組織及性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

技術(shù)研發(fā)人員：李鵬,王彬,董紅剛,趙鵬,趙強(qiáng),秦志偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30