一种高温合金熔化焊用镍基合金焊丝及其制备方法和应用与流程

本发明涉及高温合金连接技术领域，具体涉及一种高温合金熔化焊用镍基合金焊丝及其制备方法和应用，该焊丝适用于高温合金熔化焊连接。

背景技术：

随着整体精密铸造技术的发展，铸造高温合金逐渐在航空航天产业大量应用。但随着先进航空发动机涡轮前进气口温度及推重比越来越高，以及对发动机减重的要求越来越严格。由于高温合金结构件的结构越来越复杂，精密度越来越高，制造难度增大，单凭精密铸造无法实现最终结构，必须与可靠的焊接技术及其它先进的加工制造技术相结合，才可以实现高温合金结构件分体铸造。另外，熔化焊方法不仅可以实现高温合金结构件的连接，还可以实现缺陷的修复，有效提高航空发动机的工作可靠性和经济性。一般而言，镍基高温合金具有优良的高温性能，但高温合金中含有较高焊料的al、ti及w、mo等高熔点元素，熔焊过程中易形成裂纹，可焊性差，而镍基高温合金结构件的焊接位置必须具有优良的承温能力，不能有焊接缺陷。我国现有的焊丝中，可用于高温合金，特别是高温性能优良的镍基高温合金熔化焊的焊丝较少，只要是因为焊接高温合金过程中容易形成裂纹，无法满足使用要求。而且，高温合金高性能焊接的焊丝材料通常化学成分与高温合金相似，高温强度优良，高温抗变形能力强，不能通过传统的拉拔方法制备成丝材。因此，迫切需要开发一种高温合金熔化焊用镍基合金焊丝材料满足高温合金零部件的焊接要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高温合金熔化焊用镍基合金焊丝材料及制备方法，所制备的焊丝成分与镍基高温合金母材相似，可有效解决在苛刻环境应用的高温合金机匣等零部件的连接和修复问题，具有重要应用价值。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高温合金熔化焊用镍基合金焊丝，该焊丝为镍基合金丝材，按重量百分含量计，该焊丝的化学成分如下：

c0～1％，cr5.0～25.0％，co1.5～25.5％，al1～12.5％，w0.5～20.5％，mo1.5～10.5％，nb0.8～12.5％，y0～1.0％，fe0～1.0％，si0～2.0％，ni为余量。

按重量百分含量计，该焊丝优选的化学成分如下：

c0.1～1％，cr5.0～25.0％，co1.5～25.5％，al1～12.5％，w0.5～20.5％，mo1.5～10.5％，nb0.8～12.5％，y0.1～1.0％，fe0.1～1.0％，si0.5～2.0％，ni为余量。

所述焊丝为直径1-2mm的圆柱形丝材，长度大于200mm。

所述高温合金熔化焊用镍基合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照所述焊丝的化学成分配料，采用真空感应炉熔炼出母合金锭；

(2)将母合金锭采用定向凝固炉熔化，将熔化的母合金熔体浇注在氧化铝陶瓷型壳中，注满后，将陶瓷型壳以一定速度从炉中抽拉进入室温真空室内，实现焊丝的定向凝固；

(3)将凝固冷却的陶瓷型壳破碎，取出焊丝，去除焊丝在无心磨上去除氧化皮，即获得所述焊丝产品。

步骤(1)中，所述熔炼过程为：先升温至1550～1600℃保温1min，然后升温至1450～1550℃保温10min，再升温至1300～1400℃保温10min，1400～1450℃浇注。

步骤(2)中，所述熔化温度为1400～1600℃，熔化后的母合金液注入氧化铝陶瓷型壳。

步骤(2)中，所述氧化铝陶瓷型壳内部分布100-200个直径1.1-2.1mm的圆柱形空腔。

步骤(2)中，所述将陶瓷型壳抽拉过程，控制抽拉速度为1～10mm/min，以保证焊丝的成型性。

所述高温合金熔化焊用镍基合金焊丝用于沉淀强化镍基高温合金的熔化焊，熔化焊连接过程中，将焊丝放置在两个待焊母材之间，用夹具固定后，将固定夹装好的样品放置于真空熔化焊炉内进行熔化焊，焊接电流为20-35a，电压为10-12v。

所述熔化焊连接后，连接接头内无晶界，焊缝区成分与所需连接沉淀强化镍基高温合金相似，抗拉强度可以达到沉淀强化镍基高温合金的80％以上，980℃、66mpa的持久寿命≥100h。

本发明设计思想及原理如下：

为解决沉淀强化镍基高温合金的铸造缺陷修复问题，研发一种镍基高温合金用高性能焊丝材料，该焊丝成分与沉淀强化镍基合金相似，因此具有和镍基高温合金匹配的焊缝强度。但是，针对镍基高温合金抗变形性强，使得镍基高温合金焊丝难以制备的现状，本发明在成分设计方面，在一定范围内，降低了al、w等增加裂纹敏感性的元素，提高cr、co等增加合金塑性和降低裂纹敏感性的元素，此外，考虑到nb取代ta有利于提高塑性，c的添加略微提高了热影响区裂纹敏感性，而b的添加明显提高了裂纹敏感性，适当调控几种元素的含量，从而获得了焊接强度高，焊接性良好的焊丝材料。

本发明的有益效果是：

采用本发明制备的镍基高温合金焊丝及熔化焊工艺，所得焊接接头中不存在裂纹，避免高温使役条件下产生失效，且熔化焊温度高、流动性适中、对基体材料溶蚀小，焊接接头的力学性能与基体材料接近，与传统高温熔化焊材料相比，本发明熔化焊材料更适宜于镍基单晶高温合金的熔化焊。

附图说明

图1为采用实施例1制备的焊丝熔化焊k4951合金的接头显微组织；其中：(a)为微观形貌；(b)为宏观照片。

图2为对比例1中熔化焊k4951合金的接头显微组织。

图3为对比例2中熔化焊k4951合金的接头显微组织。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

本实施例待焊母材为镍基高温合金k4951。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：c0.8％，cr15.0％，co15.5％，al8.5％，w5.5％，mo4.5％，nb4.5％，y0.5％，fe0.5％，si0.5％，其余为ni，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼过程为：1550℃/1min→1450℃/10min→1300℃/10min，1400℃浇注，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用定向凝固炉熔化，熔炼温度为1400℃，将熔化的母合金液体通过出液口进入空腔直径为2.1mm的氧化铝陶瓷型壳中，注满后，将陶瓷型壳拉出，拉出速度为1mm/min，进行定向凝固；将凝固冷却的陶瓷型壳破碎，取出焊丝，将焊丝在无心磨上去除氧化皮，即获得所述直径为2mm的焊丝材料。

焊接方法：焊接前，将固溶态镍基高温合金k4951的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，将焊丝置于待焊母材之间，用夹具固定后，在样品外表涂抹阻流剂氧化铝粉防止熔化焊过程中焊料流失，焊接时，采用焊接电流为20a，电压为10v。并进行时效处理。熔化焊连接后，连接接头内无晶界，焊缝区成分与k4951合金相似，抗拉强度为k4951合金的80％，980℃/66mpa持久寿命为125h。

实施例2

本实施例待焊母材为镍基高温合金k4951。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：c0.5％，cr5.0％，co1.5％，al2.5％，w2.5％，mo1.5％，nb1.8％，y0.5％，fe0.5％，si0.3％，其余为ni，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼过程为：1600℃/1min→1550℃/10min→1400℃/10min，1450℃浇注。，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用定向凝固炉熔化，熔炼温度为1600℃，将熔化的母合金液体通过出液口进入空腔直径为1.1mm的氧化铝陶瓷型壳中，注满后，将陶瓷型壳拉出，拉出速度为1mm/min，进行定向凝固；将凝固冷却的陶瓷型壳破碎，取出焊丝，将焊丝在无心磨上去除氧化皮，即获得所述直径为1mm的焊丝材料。

焊接方法：焊接前，将固溶态镍基高温合金k4951的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，将焊丝置于待焊母材之间，用夹具固定后，在样品外表涂抹阻流剂氧化铝粉防止熔化焊过程中焊料流失，焊接时，采用焊接电流为25a，电压为12v。并进行时效处理。熔化焊连接后，连接接头内无晶界，焊缝区成分与k4951合金相似，抗拉强度为k4951合金的85％，980℃/66mpa持久寿命为120h。

实施例3

本实施例待焊母材为镍基高温合金k4951。

本实施例焊丝化学成分为(wt.％)：c0.3％，cr10.0％，co2.5％，al4.5％，w7.5％，mo8.5％，nb7.5％，y0.5％，fe0.3％，si0.5％，其余为ni，通过真空熔炼炉熔炼母合金锭，采用真空感应炉熔炼出母合金锭，熔炼过程为：1575℃/1min→1475℃/10min→1350℃/10min→1450℃浇注，制得母合金锭。

焊丝制备方法：将母合金锭采用定向凝固炉熔化，熔炼温度为1500℃，将熔化的母合金液体通过出液口进入空腔直径为1.9mm的氧化铝陶瓷型壳中，注满后，将陶瓷型壳拉出，拉出速度为1mm/min，进行定向凝固；将凝固冷却的陶瓷型壳破碎，取出焊丝，将焊丝在无心磨上去除氧化皮，即获得所述直径为1.8mm的焊丝材料。

焊接方法：焊接前，将固溶态镍基高温合金k4951的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，将焊丝置于待焊母材之间，用夹具固定后，在样品外表涂抹阻流剂氧化铝粉防止熔化焊过程中焊料流失，焊接时，采用焊接电流为22a，电压为10v。并进行时效处理。熔化焊连接后，连接接头内无晶界，焊缝区成分与k4951合金相似，抗拉强度为k4951合金的90％，980℃/66mpa持久寿命为110h。

对比例1

本例待焊母材为镍基高温合金k4951。

焊丝制备方法：将k4951锭采用定向凝固炉熔化，熔炼温度为1450℃，将熔化的母合金液体通过出液口进入空腔直径为2.1mm的氧化铝陶瓷型壳中，注满后，将陶瓷型壳拉出，拉出速度为1mm/min，进行定向凝固；将凝固冷却的陶瓷型壳破碎，取出焊丝，将焊丝在无心磨上去除氧化皮，即获得所述直径为2mm的焊丝材料。

焊接前，将固溶态镍基高温合金k4951的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，将焊丝置于待焊母材之间，用夹具固定后，在样品外表涂抹阻流剂氧化铝粉防止熔化焊过程中焊料流失，焊接时，采用焊接电流为22a，电压为10v。并进行时效处理。熔化焊连接后，连接接头内无晶界，焊缝区成分与k4951合金相似，抗拉强度为k4951合金的50％，980℃/66mpa持久寿命为60h。

对比例2

本例待焊母材为镍基高温合金k4951。

焊丝制备方法：将k4951锭采进行机械加工，得到焊丝材料。

焊接前，将固溶态镍基高温合金k4951的样品，使用800号砂纸打磨待焊接面，在丙酮中超声波清洗15min以去除待焊样品表面油污，将焊丝置于待焊母材之间，用夹具固定后，在样品外表涂抹阻流剂氧化铝粉防止熔化焊过程中焊料流失，焊接时，采用焊接电流为22a，电压为10v。并进行时效处理。熔化焊连接后，连接接头内无晶界，焊缝区成分与k4951合金相似，抗拉强度为k4951合金的40％，980℃/66mpa持久寿命为40h。

由上述实施例中样品熔化焊接头的显微组织以及宏观照片可以看出(图1)，焊接接头中不存在裂纹，避免了高温使役条件下发生失效。实施例焊接后的样品焊缝区成分与k4951合金相似，抗拉强度达到k4951合金的80％以上，980℃/66mpa持久寿命大于100h。说明与传统高温合金熔化焊材料相比，本发明熔化焊丝更适宜于镍基单晶高温合金的熔化焊。

由上述对比例中样品熔化焊接头的显微组织图中(图2-图3)可以看出，相较于实施例，其熔化焊接头中存在较多裂纹，这会导致接头的高温性能降低。由对比例中连接后样品抗拉强度测试结果可以看出，连接后焊接接头抗拉强度和持久寿命均无法满足接头的抗拉强度要求。