一种单晶高温合金单晶中间层的制备方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种单晶高温合金单晶中间层的制备方法。

背景技术：

单晶高温合金作为涡轮导向叶片材料在新一代航空发动机上得到了广泛应用。采用整体叶盘制造技术可将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去传统连接中的楔头和锁紧装置，减少结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高气动效率。

目前国内单晶高温合金导向叶片制备方式有两种：一、采用铸造方法中的定向凝固制备单晶叶片；二、采用高能束流焊接设备进行高温合金粉末或丝材增材制造单晶叶片。对于结构复杂的对开组合式叶片，单凭铸造技术无法制备，其制造过程必然涉及到材料的连接。单晶高温合金焊接性能差，若直接将两个待焊工件对接焊接，会产生很多缺陷问题，例如应力集中、气孔、裂纹、材料烧损和变形等缺陷，并且单晶高温合金直接对接焊接会破坏基材单晶组织成分。

目前焊接单晶叶片的主要方法仍为钎焊，钎焊是指将钎料加热至熔化，从而使两个对接的焊件实现焊接。钎焊方法经济简单，能够避免由于母材熔化、结晶而引起的裂纹问题，但是焊后中间层和母材的成分差异较大，易产生低熔点化合物，难以保证中间层的单晶结构，造成单晶叶片难以达到服役所需的时间和强度，安全性大大降低。

因此，制备单晶中间层，提高单晶高温合金的焊接性能是解决单晶叶片连接问题的关键，但是目前的焊接方法并不能保证中间层的单晶结构。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种单晶高温合金单晶中间层的制备方法。本发明提供的方法得到的中间层能够保证单晶结构，该单晶中间层可以显著提高单晶高温合金的焊接性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种单晶高温合金单晶中间层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对单晶高温合金的堆焊面依次进行磨光和除油处理；

(2)将步骤(1)中除油处理后的单晶高温合金置于控冷装置上，在真空条件下，对处理后的单晶高温合金堆焊面进行堆焊处理，形成单晶中间层；所述控冷装置内部设置有能使液氮通过的冷却槽；所述堆焊处理过程中液氮保持持续通过；所述液氮的通过速度为6～8l/min。

优选的，所述冷却槽为螺旋盘状，所述冷却槽的内径为3～6mm，总长度为1.5～2m。

优选的，所述控冷装置的材质为铜。

优选的，所述单晶高温合金为镍基单晶高温合金。

优选的，所述堆焊处理的送丝材料为gh4169，送丝速度为10～30mm/s。

优选的，所述堆焊处理的加速电压为60kv，焊接电流为6～12ma，聚焦电流为503a，焊接速度为1200～2000mm/min。

优选的，所述堆焊处理为单层单道堆焊。

优选的，所述真空条件的真空度为1×10^-4～1×10^-3pa。

本发明提供了一种单晶高温合金单晶中间层的制备方法，包括以下步骤：(1)对单晶高温合金的堆焊面依次进行磨光和除油处理；将步骤(1)中除油处理后的单晶高温合金置于控冷装置上，在真空条件下，对处理后的单晶高温合金堆焊面进行堆焊处理，形成单晶中间层；所述控冷装置内部设置有能使液氮通过的冷却槽；所述堆焊处理过程中液氮保持持续通过；所述液氮的通过速度为6～8l/min。本发明在堆焊过程中采用控冷装置促使焊接时中间层能够迅速冷却，从而减小堆焊时的温度梯度，得到组织为单晶的中间层。实施例结果表明，本发明制备的中间层无明显组织缺陷，是一种单晶组织的中间层。

附图说明

图1为本发明的控冷装置的结构示意图，其中1表示冷却槽；

图2为本发明实施例1制备的单晶中间层的宏观形貌图；

图3为本发明实施例1制备的单晶中间层的背散射图像；

图4为本发明实施例1制备的单晶中间层的背散射图像。

具体实施方式

本发明提供了一种单晶高温合金单晶中间层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对单晶高温合金的堆焊面依次进行磨光和除油处理；

(2)将步骤(1)中除油处理后的单晶高温合金置于控冷装置上，在真空条件下，对处理后的单晶高温合金堆焊面进行堆焊处理，形成单晶中间层；所述控冷装置内部设置有能使液氮通过的冷却槽；所述堆焊过程中液氮保持持续通过；所述液氮的通过速度为6～8l/min。

本发明对单晶高温合金的堆焊面依次进行磨光和除油处理。本发明对所述磨光的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的磨光方法即可。在本发明中，所述单晶高温合金优选为镍基单晶高温合金，本发明对所述镍基单晶高温合金的具体种类没有特殊要求，本领域技术人员熟知的镍基单晶高温合金均适用，具体的如ic10；在本发明中，所述除油用除油剂优选为石油醚；除油处理后，本发明优选使用乙醇对除油后的堆焊面进行擦洗，以便使堆焊面迅速干洁。本发明通过磨光和除油处理去除堆焊面的灰尘及表面油污，保证后续的焊接效果。本发明优选在进行堆焊前15～30min内对单晶高温合金堆焊面进行磨光和除油处理，以防止处理后的堆焊面被再次污染。

除油处理完成后，本发明将除油处理后的单晶高温合金置于控冷装置上，在真空条件下，对处理后的单晶高温合金堆焊面进行堆焊处理，形成单晶中间层。在本发明中，所述控冷装置优选为托盘状，用于承托焊件，所述控冷装置内部设置有能使液氮通过的冷却槽，所述堆焊过程中液氮保持持续通过；所示冷却槽在控冷装置内部呈螺旋盘状，如图1所示；所述冷却槽的内径优选为3～6mm，更优选为4mm。总长度优选为1.5～2m，更优选为1.8m；所述控冷装置的材质优选为铜。

在本发明中，所述液氮的通过速度优选为6～8l/min，更优选为7l/min。本发明在堆焊过程中持续的通入液氮，可以加快焊接时中间层的冷却速度，从而降低焊接的温度梯度，使中间层形成单晶结构。

在本发明的具体实施例中，优选将控冷装置置于真空焊接室内，将处理后的单晶高温合金在真空焊接室内装夹固定，使控冷装置承托单晶高温合金，然后开启控冷装置，关闭真空焊接室，待焊接室内真空度达到要求后，开始堆焊处理即可。本发明对所述真空焊接室没有特殊要求，使用本领域常规的真空焊接室即可。

本发明在真空条件下，对处理后的单晶高温合金堆焊面进行堆焊处理。在本发明中，当单晶高温合金为镍基单晶高温合金时，所述堆焊处理的送丝材料优选为gh4169；gh4169也为镍基高温合金，具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性。

在本发明中，所述堆焊处理的送丝速度优选为10～30mm/s，更优选为20mm/s。

在本发明中，所述真空条件的真空度优选为1×10^-4～1×10^-3pa，更优选为1×10^-4pa；所述堆焊处理的加速电压优选为60kv，焊接电流优选为6～12ma，更优选为8ma，聚焦电流优选为503a，焊接速度优选为1200～2000mm/min，更优选为1600mm/min；所述堆焊处理优选为单层单道堆焊。

堆焊处理完成后，本发明优选将堆焊完成后的单晶高温合金冷却，所述冷却过程优选在控冷装置上进行，在冷却过程中保证液氮持续通过，通过速度和上述方案相同，在此不再赘述；在本发明中，所述冷却的时间优选为15～30min，更优选为20min。本发明制备得到的中间层具有明显的单晶组织，且无组织缺陷，该单晶中间层可以显著提高单晶高温合金的焊接性能，在将两片单晶高温合金连接时，可利用该单晶中间层进行熔焊，焊接应力可以在中间层部位得到释放减少变形，并且热影响区域集中在中间层部位，焊接缺陷可以很好控制，基材受到的影响大幅降低。

下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

(1)在焊接前15min内对ic10单晶高温合金的堆焊面进行磨光处理，用石油醚对磨光处理后的单晶高温合金的堆焊面进行除油处理，对除油处理后的单晶高温合金的堆焊面采用酒精擦洗。

(2)处理后的单晶高温合金放置在真空焊接室内装夹固定，使铜质控冷装置承托焊件，开启铜质控冷装置，使液氮保持持续通过；

(3)关闭所述真空焊接室并抽真空，待所述真空焊接室达到真空度5×10^-4pa时，对处理后的单晶高温合金的堆焊面同时进行送丝与焊接处理。堆焊过程中保证铜质控冷装置中液氮的通过量控制为7l/min。堆焊工艺参数为：加速电压60kv，焊接电流8ma，聚焦电流503a，焊接速度1600mm/min，送丝速度20mm/s，焊丝材质为gh4169；

(4)完成单层单道堆焊后在真空室内的铜质控冷装置上静置冷却20min，取出堆焊后的单晶高温合金。

堆焊完成后所得单晶中间层的宏观形貌如图2所示，根据图2可以看出该单晶中间层无明显组织缺陷。

所得单晶中间层的背散射图像如图3和图4所示，其中图3的扫描尺度为50μm，图4的扫描尺度为20μm；根据图3～4可以看出，本发明的单晶中间层显微组织未出现晶界结构，明显是一种单晶组织。

实施例2

其他条件和实施例1相同，仅将液氮的通过量改为8l/min，堆焊的工艺条件改为：加速电压60kv，焊接电流10ma，聚焦电流503a，焊接速度1500mm/min，送丝速度25mm/s。

对所得中间层的宏观形貌进行观察，可以看出该单晶中间层无明显组织缺陷。

使用背散射图像对所得单晶中间层进行分析，可以看出所得单晶中间层显微组织未出现晶界结构，明显是一种单晶组织。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。