一种保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺
阅读说明：本技术 一种保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺 (Multi-brazing and heat treatment process for maintaining strength of nickel-based high-temperature alloy ) 是由 郑磊 刘红亮 赵鑫 董建 孟晔 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺,具体工艺包括：多次真空钎焊循环(焊前清理、装配定位、预置钎料、真空钎焊)以及焊后时效处理。其中钎焊保温温度处于合金γ′相完全回溶温度点附近,且钎焊保温时间较短,使得多次钎焊循环之后合金内部的γ′相不会发生明显的粗化。焊后冷却阶段采用通氩气快冷,同时搭配空冷的方法,冷却速率较快；直接时效处理后合金内部γ′相的分布弥散均匀,使得处理后合金本体的强度得以保持。本发明所述方法同时解决了镍基高温合金需多次钎焊的工艺难题以及真空钎焊热处理之后合金强度下降的技术难题,极具推广和应用价值。(The invention relates to a multi-brazing and heat treatment process for keeping the strength of a nickel-based high-temperature alloy, which comprises the following specific steps of: multiple vacuum brazing cycles (cleaning before welding, assembling and positioning, presetting brazing filler metal, vacuum brazing) and aging treatment after welding. The brazing heat preservation temperature is near the complete re-dissolution temperature point of the gamma 'phase of the alloy, and the brazing heat preservation time is short, so that the gamma' phase in the alloy can not be obviously coarsened after multiple brazing cycles. In the post-welding cooling stage, the argon is introduced for quick cooling, and an air cooling method is adopted, so that the cooling rate is high; the distribution and dispersion of the gamma' phase in the alloy after direct aging treatment are uniform, so that the strength of the treated alloy body can be maintained. The method simultaneously solves the technical problems that the nickel-based high-temperature alloy needs to be brazed for multiple times and the alloy strength is reduced after the vacuum brazing heat treatment, and has great popularization and application values.)
技术领域
本发明属于镍基高温合金热处理的技术领域，特别涉及一种保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺。
技术背景
高温合金的发展与航空发动机的发展密切相关，其具有良好的高温强度和抗氧化抗腐蚀性能，是现代国防建设和国民经济发展不可替代的关键材料。目前在先进航空发动机中，高温合金的用量已占到一半以上，其中以镍基高温合金的用量最高。多晶的镍基高温合金常用于制作涡轮盘等发动机关键部件，要求其在高温、高应力的恶劣环境下稳定工作，对合金的强度提出了较高的要求。
随着镍基高温合金发展及应用的不断深入，与其相关的加工技术备受关注。镍基高温合金是典型的难加工材料，加上镍基高温合金部件的外形多为不规则形状，有的部件几何形状同时由直线、圆弧、异形孔等组成，形状复杂，因此高效低成本的高精度镍基高温合金加工方法的研究越来越受到人们的重视。
镍基高温合金部件从原料到成品常用到的加工方法包括轧制、锻造、车削、焊接等，每个加工方法都有其各自的难点，尤其是在焊接技术方面，不仅要求焊接接头在高温条件下具有较高的强度，而且要求精确控制焊接过程中对合金母材组织及性能的影响。镍基高温合金中含有大量的Al、Ti、Ta、W、Co等合金元素，采用常规的焊接方法，例如电弧焊、埋弧焊、等离子弧焊等方法加工时，焊接难度大，焊后易产生较大的焊接应力导致焊缝开裂，且焊接过程中母材的局部熔化冷却而形成的细小的再结晶晶粒也会对合金性能产生较大的影响；瞬时液相扩散焊虽然可实现镍基高温合金的有效连接，但其保温时间一般在十几小时以上，且对焊前装配精度控制要求严格，效率低成本高，工艺适用性不佳。真空钎焊是指用比母材熔点低的金属材料作为钎料，在真空炉内加热使钎料熔化，润湿焊缝并填充接头间隙，达到连接的目的。真空钎焊具有保温时间短、焊后合金本体变形小、接头光滑美观等优点，已成为镍基高温合金高性能加工方法的重要研究方向。
实际生产过程中，真空钎焊完成后合金部件无法快速从炉中取出，导致合金冷却速率较慢，后续继续施加标准的时效处理工艺会导致合金内部析出的γ′强化相尺寸过大，降低其强化效果，合金部件存在强度不合格的风险。此外，由于焊前装配、焊接参数波动等原因，焊缝区域有时会形成明显的焊接缺陷，为了保证合金部件的服役安全，同时避免报废部件而造成经济损失，需对其进行补焊。服役过程中焊缝区域由于强度值较弱，开裂后的焊缝也需要再次进行钎焊加工。因此，有必要研发一种可以保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺，同时解决多次钎焊的工艺难题以及真空钎焊热处理之后合金强度下降的技术难题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺，包括以下步骤：
步骤一，焊前准备：
采用机械加工的方法去除合金部件表面的氧化皮等覆盖物，露出合金基体，并使用超声波清洗的方法去除表面油污及其他杂质；装配定位并预置钎料；
步骤二，真空钎焊：
将待钎焊装配的合金部件放置在真空钎焊炉内进行钎焊循环，其中钎焊保温温度为1010-1060℃，保温时间为8-20min，炉内压强不大于10-3Pa，钎焊结束后通入高纯氩气快冷至600℃以下后，合金部件出炉空冷；
步骤三，补充钎焊：
依次重复步骤一和步骤二的操作1-3遍，完成多次钎焊处理；
步骤四，焊后时效处理：
将钎焊处理后的合金部件置于热处理炉中，升温至750-780℃并保温10-14h进行时效处理，之后取出空冷至室温。
进一步地，步骤一中所述钎料熔点为970-980℃。
进一步地，步骤二和步骤四中加热炉的升温速率为10-25℃/min。
进一步地，步骤二中通氩气冷却时，合金部件冷却速率不低于100℃/min。
进一步地，所述合金为GH4738镍基高温合金，以质量百分比计，其主要成分为：碳0.03-0.10％、铬18-21％、钴12-15％、钼3.5-5％、钛2.75-3.25％、铝1.2-1.6％、硼0.003-0.01％、锆0.02-0.12，余量为镍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过选用合适的钎料，使钎焊保温温度处于镍基高温合金γ′相完全回溶温度点附近，且钎焊保温时间较短，使得多次钎焊循环之后合金内部残留的γ′相不会发生明显的粗化。在保证钎焊接头组织均匀的前提下，焊后的合金部件在冷却阶段采用先通氩气快冷，之后出炉空冷的方法，较传统钎焊后合金部件的冷速明显增加；钎焊循环后的时效阶段取消了传统双时效工艺中的稳定化处理，而采用直接时效处理的方法，得到的合金内部γ′相的分布弥散均匀，使得处理后合金本体的强度得以保持，其中室温下抗拉强度约为1340MPa，屈服强度约为915MPa。本发明所述方法同时解决了镍基高温合金需多次钎焊的工艺难题以及真空钎焊热处理之后合金强度下降的技术难题，极具推广和应用价值。
附图说明
图1是实施例1经过真空钎焊及时效处理后焊缝区域的组织照片。
具体实施方式
保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺，包括如下步骤：将准备好的待钎焊装配的合金部件放进真空钎焊炉内进行钎焊循环2-4次，然后加热升温到750-780℃的范围进行时效处理10-14h。就实际应用对象而言，所述合金部件的材料为GH4738镍基高温合金，以质量百分比计，其主要成分为：碳0.03-0.10％、铬18-21％、钴12-15％、钼3.5-5％、钛2.75-3.25％、铝1.2-1.6％、硼0.003-0.01％、锆0.02-0.12，余量为镍。
GH4738合金是一种沉淀硬化型变形高温合金，其强化方式以析出强化为主，热处理后晶粒内部分布的球形γ′相是其主要强化相。GH4738合金的标准时效处理工艺为：845℃稳定化处理4h+760℃时效处理16h。但对于真空钎焊处理后的合金而言，合金内部已经分布有大量的γ′相，如果基体再经过845℃稳定化处理，晶内γ′相会快速长大，降低γ′相的析出强化效果。
为了获得更佳的析出强化效果，保持合金的强度，同时满足对合金部件进行补充钎焊的要求，本发明优选这样的方案：一、选用熔点为970-980℃的钎料，在此基础上将钎焊保温温度设定为1010-1060℃(处于合金γ′相完全回溶温度点附近)，且钎焊保温时间较短，从而使得多次钎焊循环之后合金内部残留的γ′相不会发生明显的粗化。二、采用先通氩气快冷至600℃以下，之后出炉空冷的方法，在保证钎焊接头组织均匀的前提下，提升焊后合金部件的冷却速率，抑制γ′相在冷却阶段的长大。三、时效处理阶段采用直接时效的方法，避免较高温度的稳定化处理，降低γ′相在时效阶段的长大幅度。四、合金部件放入炉中之后，升温速率控制在10-25℃/min的范围，从而更好的实现均匀加热的效果。
通过以下试验方式验证本申请方案的可行性：选用的GH4738样品模拟合金部件进行真空钎焊处理，其具体成分如表1所示。
表1实施例和对比例中所用GH4738合金成分
成分
C
Cr
Co
Mo
Ti
Al
B
Zr
Ni
含量
0.06
19.68
13.89
4.09
3.25
1.32
0.006
0.08
余量
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述，不作为对本发明的限定。
实施例
实施例1
本实施例GH4738合金的钎焊方法，包括如下步骤：
步骤一：采用机械加工的方法去除合金部件表面的氧化皮等覆盖物，露出合金基体，并使用超声波清洗的方法去除表面油污及其他杂质；装配定位并预置钎料，其中钎料熔点为970-980℃；
步骤二：将待钎焊装配的合金部件放置在真空钎焊炉内进行钎焊循环，以15℃/min的速率升温至钎焊保温温度1030℃，保温时间为15min，炉内压强不大于10-3Pa，钎焊结束后通入高纯氩气，以110-130℃/min的速率快冷至600℃以下后，合金部件出炉空冷；
步骤三：依次重复步骤一和步骤二的操作2遍，完成多次钎焊处理；
步骤四：将钎焊处理后的合金部件置于热处理炉中，以15℃/min的速率升温至760℃并保温12h进行时效处理，之后取出空冷至室温。
实施结果：使用光镜观察钎焊后的焊接接头，如图1所示，可以看出焊缝与母材界面结合良好，无明显焊接缺陷。
实施例2
本实施例GH4738合金的钎焊方法，包括如下步骤：
步骤一：采用机械加工的方法去除合金部件表面的氧化皮等覆盖物，露出合金基体，并使用超声波清洗的方法去除表面油污及其他杂质；装配定位并预置钎料，其中钎料熔点为970-980℃；
步骤二：将待钎焊装配的合金部件放置在真空钎焊炉内进行钎焊循环，以20℃/min的速率升温至钎焊保温温度1020℃，保温时间为10min，炉内压强不大于10-3Pa，钎焊结束后通入高纯氩气，以100-120℃/min的速率快冷至600℃以下后，合金部件出炉空冷；
步骤三：依次重复步骤一和步骤二的操作3遍，完成多次钎焊处理；
步骤四：将钎焊处理后的合金部件置于热处理炉中，以20℃/min的速率升温至750℃并保温13h进行时效处理，之后取出空冷至室温。
对比例1
本实施例GH4738合金的钎焊方法，包括如下步骤：
步骤一：采用机械加工的方法去除合金部件表面的氧化皮等覆盖物，露出合金基体，并使用超声波清洗的方法去除表面油污及其他杂质；装配定位并预置钎料；
步骤二：将待钎焊装配的合金部件放置在真空钎焊炉内进行钎焊循环，以20℃/min的速率升温至钎焊保温温度1000℃，保温时间为25min，炉内压强不大于10-3Pa，钎焊结束后合金部件先随炉冷却至900℃，之后通入高纯氩气以40-60℃/min的速率冷却至100℃以下后合金部件出炉空冷；
步骤三：将钎焊处理后的合金部件置于热处理炉中，以25℃/min的速率升温至845℃并保温4h进行稳定化处理，取出空冷至室温，再以25℃/min的速率升温至760℃并保温16h进行时效处理，之后取出空冷至室温。
性能检测
对实施例1-2和对比例1中经过钎焊及时效处理后的GH4738合金在室温条件下进行拉伸试验，结果如表2所示。
表2 GH4738合金室温拉伸试验结果
表2中对比例1为采用传统真空钎焊及时效处理后测得的GH4738合金力学性能。可以看出，与传统真空钎焊及时效工艺相比，采用本发明工艺处理后的GH4738合金强度提升明显，达到了标准态合金的强度值。也就是说，经过多次真空钎焊循环及时效处理后，合金的强度得以保持。本发明所述方法同时解决了镍基高温合金需多次钎焊的工艺难题以及真空钎焊热处理之后合金强度下降的技术难题，极具推广和应用价值。
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