一种多元无硼高温钎料及封焊应用方法与流程

1.本发明属于材料工程技术领域，具体为一种多元无硼高温钎料及封焊应用方法。


背景技术：

2.空心叶片的核心是陶瓷型芯，是叶片成型的关键，精铸后要进行脱芯，因此设计之初精铸出的空心叶片叶顶预留有工艺孔，作为脱芯出口，是铸造工艺必须的存在，但在叶片的使用过程中，这个大尺寸的工艺孔会影响叶片的功能，传统的钎焊工艺分三步；第一步为孔型加工，第二步为钎焊封孔，第三步为气膜孔加工。具体的是扩孔径+2mm，深度为厚度的三分之二，见附图1，按照扩孔尺寸加工对应的填充块，将填充块放入孔内，涂抹钎料，真空钎焊过程中钎料熔化，在毛细管理的作用下进入装配间隙，完成填充块与工艺孔的焊接，通过打磨/加工修型，在填充块中心加工气膜孔。但现有封焊工艺存在的主要问题表现为以下几点：
3.1、钎焊温度略低于固溶温度，与固溶处理相比冷却方式不同。固溶处理是充气冷却，要求900℃以上冷却速不低于60℃/min；钎焊不接受充气冷却，采用随炉冷却。目前已知的传统钎焊方法均无法有效兼顾钎焊和固溶处理，如：
4.a、先固溶后钎焊：固溶处理后，由于快速通过强化相的析出温度，材料组织有大量的细小强化相析出，强化相的数量、尺寸是叶片高温性能的保证；再进行钎焊处理时，由于钎焊温度与固溶温度相近，会有部分组织固溶，随炉冷却没有，特意控制降温速度，导致发生固溶的部分组织在冷却过程中析出强化相并长大，叶片组织中的强化相数量减少，强化相颗粒尺寸粗大，严重影响叶片性能。
5.b、先钎焊后固溶：先在较低温度完成钎焊，再在较高温度完成固溶处理，由于钎焊区域存在严重的成分组织偏析，固溶温度高于钎焊温度时焊缝共晶组织存在熔化风险，在固溶后快速冷却过程中液相收缩导致裂纹产生。
6.c、钎焊固溶同时进行：钎焊区域在冷却凝固前有一定的液相存在，快速凝固引起快速收缩，钎焊区域容易产生裂纹等严重缺陷，一般不接受充气快速冷却。
7.2、传统钎焊过程一般使用硼硅系钎料，具有良好的流动性、熔点抑制作用以及较低的熔点，但钎焊区域保留了大量脆性共晶相。
8.3、适合钎焊的间隙，填充块与扩孔的尺寸匹配精度要求高，加工难度大。
9.4、传统钎焊结合强度有限，一般约为200mpa。


技术实现要素：

10.本发明的目的正是针对现有技术存在的问题，提供一种多元无硼高温钎料及封焊应用方法。采用该含硼钎料，降低了装配间隙的要求精度，解决了封焊工艺与固溶处理工艺的不匹配。相比于传统钎焊更稳定，焊区及影响区组织优良，减少或避免了有害相的形成，在后续的处理中不会导致基体的性能退化，满足叶片整体性能要求或所期望的性能特征。
11.为了实现以上发明目的，本发明的具体技术方案为：
12.一种无硼钎料，包括无硼钎料粉末，以质量百分含量计，该粉末中含5.5～7.5％的al、5.0～7.0％的ti、12.0～16.0％的cr、4.0～8.0％的co、4.0～7.0％的nb、2.0～6.0％的mo、7.0～10.0％的ta、0.05～0.1％的w、0.01～0.03％的b、0.07～0.2％的zr、0.001～0.004％的la，余量为ni和不可避免的杂质，总质量百分含量之和为100％。
13.本发明的多元无硼高温钎料成分不含硼、硅、锆、铪等传统熔点抑制元素，均为高温合金中的强化元素，不产生异质弱化相；合金熔点抑制作用良好；焊区在经热处理、服役过程，材料恶化的趋势优于含硼钎料的钎焊。
14.作为本技术中一种较好的实施方式，所述的无硼钎料粉末用于冶金封焊工艺孔、或钎焊、或以磨片、夹片、箔带形式用于焊接、修复、封焊工艺。
15.作为本技术中一种较好的实施方式，无硼钎料粉末用于冶金封焊工艺孔时，锥形填充块作为填充主体，无硼钎料粉末封焊间隙。
16.利用前述无硼钎料对冶金的空心叶片工艺孔进行封焊的方法，包括以下步骤：
17.步骤一制备无硼钎料粉：
18.选择纯度不低于99.99％的ni、co、ta、w、cr、ti、al、nb、mo、b、zr、la，按比例进行配料，通过真空感应熔炼炉将上述原料熔炼成合金锭；通过旋转电极或真空雾化制备粉末，备用；
19.步骤二 扩孔、填充块加工
20.对工艺孔扩孔：工艺孔为通孔，与原工艺孔同心，将直径扩大到直径d+2mm，深度h-1mm,为同心异径台阶孔，扩孔后进行清理、清洗；
21.加工锥形填充块：锥形坡角内角为0-90
°
，形成便于填料的敞开口；高度方向与基材孔面重合或略高1-2mm；加工后装配校验尺寸；
22.步骤三 清洗、装配填充块
23.用合金磨头或磨针对扩孔进行打磨，确保没有氧化成份残留，表面保留一定的粗糙度；
24.装配过程中对填充块边缘进行修磨，原则是填充块不能与工艺孔尺寸存在间隙，导致粉末掉入叶片腔室或填充块调入腔室；
25.用酒精或丙酮对所述扩孔表面、锥形填充块进行清理，烘干后真空封装，待用；
26.步骤四 填粉
27.母材粉填充：以高温镍基合金粉末为母材粉末；向母材粉末中加入粘结剂混合均匀；填充扩孔与锥形填充块的间隙，高出叶顶表面0.5-1mm，待用；
28.封焊材料涂覆：向步骤一制得的无硼钎料粉中加入粘结剂并混合均匀，均匀涂覆在母材粉上方，自然干燥后待用；
29.步骤五、液相烧结：真空烧结或气氛环境烧结，结束后充气冷却；
30.步骤六、修型：对多余区域进行加工或打磨恢复尺寸；
31.步骤七、加工气膜孔：按图纸采用电火花在填充块中间加工气膜孔；采用带孔锥形填充块时不需要此步骤。
32.作为本技术中一种较好的实施方式，步骤一制备无硼钎料粉，经筛分使粉末粒度为5～106微米。
33.作为本技术中一种较好的实施方式，步骤四母材粉填充中，所述的母材粉末为
m247、in738或in939等；粘结剂的添加量为母材粉末质量的0.5%-0.8%；封焊材料涂覆中，加入粘结剂的添加量为无硼钎料粉质量的0.8%-1.2%。
34.作为本技术中一种较好的实施方式，母材粉填充和封焊材料涂覆中，粘结剂加入后，在玛瑙研钵中搅拌均匀或在混粉机中混合均匀。
35.作为本技术中一种较好的实施方式，封焊材料涂覆中，母材粉与封焊材料的质量比＝1:0.5-1.3，自然干燥时间为8-24h。
36.作为本技术中一种较好的实施方式，步骤五中，当液相烧结在真空热处理炉中进行液相烧结，真空热处理炉真空度优于1.0
×
10-3
pa。
37.作为本技术中一种较好的实施方式，步骤五中，液相烧结热处理的条件为：以10℃-15℃/min的速度升温到1185℃
±
10℃-1215℃
±
10℃，保温时间为30min-120min；保温结束后充气冷却，冷却速率大于60℃/min，如65℃/min，70℃/min，75℃/min，80℃/min等。
38.本发明采用锥体填充块，敞开型接头设计(锥形填充块的设计，是一种笼统的说法旨在呈现敞口间隙便于自主填粉，粉末有向下沉堆趋势，趋于致密)，有助于塑形粉末填充材料间隙，不会污染叶片内腔，焊后区域无孔洞、组织致密、结合强度高；粉末的填充、配合应用方法，有助于无硼钎料中氧化物、杂质等滞留在焊区表面余料中。
39.在填充体上直接开孔，降低了打孔难度、简化封焊工艺过程；
40.采用钎料熔渗-烧结一步完成材料间隙的封焊，工艺过程简单、可控，同时将钎料粉末中的氧元素滞留在焊区外打磨余量中，解决了高钛、铝粉末含氧量对冶金结合的制约；利用毛细管力“自动吸入钎料”，确保钎料最均匀的分布和最小的用量，对于焊区是有益的。
41.前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
42.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
43.(一)本焊接材料为一种ni-co-ta-w-cr-ti-al-nb-mo-b-zr-la无硼钎料,可广泛适用于高γ’相体积分数的镍基铸造高温合金的工艺孔封焊；主要组成元素与高温合金本体基本一致，无外引元素，仅通过调整部分元素成分比例达到熔点抑制效果；
44.(二)采用含硼钎料钎焊，含硼化合物倾向于降低焊区的延展性，本发明为无硼钎料，不存在该问题；且本发明的无硼钎料也可以用于粉末冶金、钎焊、大间隙钎焊；具备本发明成分特征的修复材料可以是粉末、磨片、箔带；无硼钎料在液相烧结过程中流入母材粉末间隙，用量较少，组织成份均匀，无硬脆相。
45.(三)所述锥形填充块可以带预置气膜孔，封焊后无需单独进行气膜孔加工；钎料在基材固相线下熔化，熔点抑制元素的扩散进入母材粉，熔点降低熔化，随着熔点抑制元素的继续扩散，焊区熔点升高后凝固，因此焊接保温结束后可以接受充气快速冷却；对于固溶处理温度与钎焊温度接近的材料，可以将固溶处理与钎焊过程合二为一，固溶处理时间一般较长，该过程对含硼钎料焊接过程有害，易造成焊接部位母材损伤，而对无硼钎料焊接过程有益，起到均匀化作用。
46.(四)本发明采用锥形填充块，旨在形成开阔间隙，可以是30
°
、45
°
或其他角度，通过母材粉自主填充，减少对装配间隙的要求，提高工艺可靠性、稳定性。
附图说明：
47.图1为扩孔示意图；
48.图2为锥形填充块示意图；
49.图3为填充块装配示意图；
50.图4为母材粉填充示意图；
51.图5为无硼钎料配合示意图；
52.图6为实施例12叶片基材为mar-m247的空心叶片叶顶工艺孔封焊的焊区微观形貌图；
53.图7实施例12叶片基材为mar-m247的空心叶片叶顶工艺孔封焊室温拉伸测试数据。
具体实施方式
54.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
55.需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
56.另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
57.本技术中的粘结剂为商业产品，优选wall colmonoy corporation公司的nicrobraz-s粘结剂，以下实施例中均采用该粘结剂。
58.实施例1-10:
59.一种无硼钎料，包括无硼钎料粉末，以质量百分含量计，各化学成分含量如下：
[0060][0061]
将实施例1-10中的无硼钎料分别按成分表中的质量百分数进行配料，通过真空感应熔炼炉将上述原料熔炼成合金锭；通过旋转电极或真空雾化制备粉末，筛分粉末粒度分布为5～106微米。所得无硼钎料粉经dsc测试，显示熔点在1140-1180℃之间，可以用in738、m247、in939等高铝钛高温合金的钎焊及粉末冶金修复，及对应材料的叶片工艺孔封焊。
[0062]
实施例11
[0063]
in738空心叶片叶顶工艺孔封焊实例
[0064]
步骤一 粉末制备
[0065]
无硼钎料粉末通过如下方法进行制备：
[0066]
按照实施例1的化学成分按质量百分数进行配料，通过真空感应熔炼炉将上述原料熔炼成合金锭。通过旋转电极或真空雾化制备粉末，筛分粉末粒度分布为5～106微米。
[0067]
步骤二 扩孔、填充块加工
[0068]
工艺孔为通孔，直径8mm、深度3mm；扩孔：与原工艺孔同心，将直径扩大到10mm，深度2mm,为同心异径台阶孔，清理、清洗
[0069]
加工带气膜孔锥形填充块，锥形坡角内角为60
°
；高度基材孔面重合或略高1mm；与配合校验尺寸，可以平放进台阶孔内，间隙合适；
[0070]
步骤三 清洗、装配填充块
[0071]
用合金磨头或磨针对扩孔进行打磨确保没有氧化成份残留，用酒精、丙酮对所述扩孔表面、锥形填充块进行清理，烘干后真空封装，待用；
[0072]
步骤四 填粉
[0073]
母合金填充：母材粉末为商业牌号的in738高温合金粉末，按照质量百分比0.5％
的比例加入粘结剂，在玛瑙研钵中搅拌均匀；填充扩孔与锥形填充块的间隙，高出叶顶表面0.5mm，待用；
[0074]
钎料配合：按照质量百分比0.8％的比例加入粘结剂，在玛瑙研钵中搅拌均匀，以重量定量，m
母材粉
：m
无硼钎料
＝1:0.8，自然干燥24h,待用
[0075]
步骤五 液相烧结
[0076]
在真空热处理炉中进行液相烧结，真空热处理炉真空度优于10-3
pa，以12℃/min的速度升温到1195
±
10℃，保温30min，保温结束后随炉冷却。
[0077]
步骤六 修型
[0078]
对多余修复区域进行加工或打磨恢复尺寸型线。
[0079]
实施例12：mar-m247空心叶片叶顶工艺孔封焊实例
[0080]
步骤一 粉末制备
[0081]
母材粉末为商业牌号的in738粉末，无硼钎料粉末通过如下方法进行制备：
[0082]
按照实施例2的质量百分数进行配料，通过旋转电极或真空雾化制备粉末，筛分粉末粒度分布为5～106微米。
[0083]
步骤二 扩孔、填充块加工
[0084]
工艺孔为通孔，直径6mm、深度3mm；扩孔：与原工艺孔同心，将直径扩大到8mm，深度2mm,为同心异径台阶孔，清理、清洗；
[0085]
加工锥形填充块，锥形坡角内角为45
°
，形成便于填料的敞开口；高度基材孔面重合1mm；与配合校验尺寸，可以平放进台阶孔内，间隙合适；
[0086]
步骤三 清洗、装配填充块
[0087]
用合金磨头或磨针对扩孔进行打磨确保没有氧化成份残留，用酒精、丙酮对所述扩孔表面、锥形填充块进行清理，烘干后真空封装，待用；
[0088]
步骤四 填粉
[0089]
母合金填充：母材粉末为商业牌号的m247高温合金粉末,按照质量百分比0.6％的比例加入粘结剂，在玛瑙研钵中搅拌均匀；填充扩孔与锥形填充块的间隙，高出叶顶表面1mm，待用；
[0090]
钎料配合：按照质量百分比0.8％的比例加入粘结剂，在玛瑙研钵中搅拌均匀，以重量定量，m
母材粉
：m
无硼钎料
＝1:1.1，自然干燥24h,待用
[0091]
步骤五 液相烧结
[0092]
在真空热处理炉中进行液相烧结，真空热处理炉真空度优于10-3
pa，以10℃-15℃/min的速度升温到1200℃
±
10℃，保温120min小时，保温结束后充气冷却。
[0093]
步骤六 修型
[0094]
对多余修复区域进行加工或打磨恢复尺寸型线；
[0095]
步骤七 加工气膜孔
[0096]
按图纸采用电火花在填充块中间加工气膜孔，采用带孔锥形填充块时不需要此步骤。
[0097]
mar-m247空心叶片叶顶工艺孔封焊的性能测试结果见下表：
[0098][0099]
对比例1-4：具体配方见下表
[0100]
[0101][0102]
由上可以看出，对比例1所述活性辅助镍基高温合金和镍基合金粉末均为现有技术的合金材料。所述活性辅助镍基高温合金作用等同本发明的无硼钎料，成分相对简单，同时，含有较大量的b、zr作为熔点抑制元素，这与本发明的ti作为熔点抑制元素存在本质区别。对比例1与本发明都是基于粉末冶金修复设计的无硼钎料。所述活性辅助镍基高温合金与特定设计的镍基合金粉末匹配使用；本发明无硼钎料除了用于本发明所述粉末冶金修复，还可以单独作为钎料，用于镍基高温合金的钎焊，且限制成分的偏析及有害相的生成。
[0103]
对比例2所述钎焊材料为镍基，少量的co作为强化元素，本发明可以理解为镍钴双基合金，同时，加较高量的ta、nb强化高温性能。对比例2所述钎焊材料液相线温度较高，大约1215℃的液相线和10℃的熔融温度范围，主要用于钎焊；本发明液相线1160℃左右，主要用于粉末冶金。对比例2所述钎焊材料完全没有含b、zr,本发明主要依靠ti作为熔点抑制元
素，添加了微量的b、zr，在工艺过程中除了起到有限的降熔作用，主要作用是形成细小的硼化物，聚集在晶界附近，起到强化晶界的作用。
[0104]
对比例3所述钎焊材料为镍基，少量的co作为强化元素，本发明可以理解为镍钴双基合金，同时，加入nb强化高温性能。对比例3所述钎焊材料液相线温度较高，主要用于钎焊，钎焊温度为1225℃-1250℃；本发明液相线1160℃左右，。本发明主要用于粉末冶金，在1200℃以下能够完成液相烧结，低于大多数镍基高温合金的固溶温度，具有较广泛的应用空间。对比例3所述钎焊材料与本发明相比不含nb、mo、zr、b，含有少量的mn,不是高温和金的常规组成元素。
[0105]
对比例4：主要组成元素为mn、ni、co、cu,本发明所有组成为高温合金正常元素，没有引进其他元素，这是焊后区域组织、性能接近母材的前提。
[0106]
虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明。

技术特征：
1.一种无硼钎料，包括无硼钎料粉末，其特征在于，以质量百分含量计，该粉末中含5.5～7.5％的al、5.0～7.0％的ti、12.0～16.0％的cr、4.0～8.0％的co、4.0～7.0％的nb、2.0～6.0％的mo、7.0～10.0％的ta、0.05～0.1％的w、0.01～0.03％的b、0.07～0.2％的zr、0.001～0.004％的la，余量为ni和不可避免的杂质，总质量百分含量之和为100％。2.如权利要求1所述的无硼钎料的应用，其特征在于，无硼钎料粉末用于冶金封焊工艺孔、或钎焊、或以磨片、夹片、箔带形式用于焊接、修复、封焊工艺。3.如权利要求2所述的无硼钎料的应用，其特征在于，无硼钎料粉末用于冶金封焊工艺孔时，锥形填充块作为填充主体，无硼钎料粉末封焊间隙。4.利用如权利要求1所述的无硼钎料对冶金的空心叶片工艺孔进行封焊的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一制备无硼钎料粉：选择纯度不低于99.99％的ni、co、ta、w、cr、ti、al、nb、mo、b、zr、la，按比例进行配料，通过真空感应熔炼炉将上述原料熔炼成合金锭；通过旋转电极或真空雾化制备粉末，备用；步骤二 扩孔、填充块加工对工艺孔扩孔：工艺孔为通孔，与原工艺孔同心，将直径扩大到直径d+2mm，深度h-1mm,为同心异径台阶孔，扩孔后进行清理、清洗；加工锥形填充块：锥形坡角内角为0-90
°
，形成便于填料的敞开口；高度方向与基材孔面重合或略高1-2mm；加工后装配校验尺寸；步骤三 清洗、装配填充块用合金磨头或磨针对扩孔进行打磨，确保没有氧化成份残留，表面保留一定的粗糙度；装配过程中对填充块边缘进行修磨，原则是填充块不能与工艺孔尺寸存在间隙，导致粉末掉入叶片腔室或填充块调入腔室；用酒精或丙酮对所述扩孔表面、锥形填充块进行清理，烘干后真空封装，待用；步骤四 填粉母材粉填充：以高温镍基合金粉末为母材粉末；向母材粉末中加入粘结剂混合均匀；填充扩孔与锥形填充块的间隙，高出叶顶表面0.5-1mm，待用；封焊材料涂覆：向步骤一制得的无硼钎料粉中加入粘结剂并混合均匀，均匀涂覆在母材粉上方，自然干燥后待用；步骤五、液相烧结：真空烧结或气氛环境烧结，结束后充气冷却；步骤六、修型：对多余区域进行加工或打磨恢复尺寸；步骤七、加工气膜孔：按图纸采用电火花在填充块中间加工气膜孔；采用带孔锥形填充块时不需要此步骤。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤一制备无硼钎料粉，经筛分使粉末粒度为5～106微米。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤四母材粉填充中，所述的母材粉末为m247、in738或in939；粘结剂的添加量为母材粉末质量的0.5％-0.8％；封焊材料涂覆中，加入粘结剂的添加量为无硼钎料粉质量的0.8％-1.2％。7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：母材粉填充和封焊材料涂覆中，粘结剂加入后，在玛瑙研钵中搅拌均匀或在混粉机中混合均匀。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于：封焊材料涂覆中，母材粉与封焊材料的质量比＝1:0.5-1.3，自然干燥时间为8-24h。9.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤五中，液相烧结在真空热处理炉中进行液相烧结，真空热处理炉真空度优于1.0
×
10-3
pa。10.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤五中，液相烧结热处理的条件为：以10℃-15℃/min的速度升温到1185℃
±
10℃-1215℃
±
10℃，保温时间为30min-120min；保温结束后充气冷却，冷却速率大于60℃/min。

技术总结
本发明设计了一种多元无硼高温钎料，化学成分按重量百分比计为：含5.5～7.5的Al、5.0～7.0的Ti、12.0～16.0的Cr、4.0～8.0的Co、4.0～7.0的Nb、2.0～6.0的Mo、7.0～10.0的Ta、0.05～0.1的W、0.01～0.03的B、0.07～0.2的Zr、0.001～0.004的La、余量为Ni。介绍了一种用于镍基高温合金的高温钎料，开发了一种可靠的粉末冶金封焊工艺孔的方法，采用此方法替代了含硼钎料，降低了装配间隙的要求精度，解决了封焊工艺与固溶处理工艺的不匹配。相比于传统钎焊更稳定，焊区及影响区组织优良，减少或避免了有害相的形成，在后续的处理中不会导致基体的性能退化，满足叶片整体性能要求或所期望的性能特征。特征。特征。


技术研发人员：巩秀芳 管迎博 高振桓 聂丽萍 孙友贝 李金祺 王天剑 隆彬 李定骏 陈艺文 杨乐馨 方宇
受保护的技术使用者：东方电气集团东方汽轮机有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/8/1