镍基高温合金可采用气体保护钎焊、真空钎焊和瞬时液相连接。钎焊前都必须采用砂纸打磨、毡轮抛光、丙酮擦洗及化学清洗等方法,进行脱脂和去除表面氧化膜。选择钎焊规范时应注意加热温度不宜过高,钎焊时问尽量短,以降低对母材性能的影响。为防止母材开裂,经冷加工的零件焊前应进行去应力处理,焊接加热应尽可能均匀。
1.气体保护钎焊
气体保护钎焊对保护气体的纯度要求很高,对于铝、钛质量分数小于0.5%的高温合金,使用氢气或氩气时要求其露点低于-54℃。当铝、钛含量增多时,合金表面加热时仍发生氧化,可以采取的去除或预防措施包括:加入少量钎剂,如FB105等,利用钎剂去除氧化膜;零件表面镀0.025~0.038mm厚的镀层;将钎料预先喷涂在待钎焊材料表面;附加少量气体钎剂,如三氟化硼等。
2.真空钎焊
真空钎焊应用较广,能获得更好的保护效果和钎焊质量。典型镍基高温合金真空钎焊接头的力学性能见表23-21。对于铝、钛质量分数小于4%的高温合金,虽然表面不进行特殊预处理也能保证钎料的润湿,但最好在表面电镀一层0.01~0.015mm的镍。当铝、钛质量分数超过4%时,镀镍层的厚度应为0.02~0.03mm。镀层太薄不起保护作用,镀层太厚将降低接头强度。也可将待焊零件放在盒内进行真空钎焊,盒中应放吸气剂,如锆在高温下吸收气体,可使盒内形成一个局部真空,从而防止合金表面的氧化。
表23-21 典型镍基高温合金真空钎焊接头的力学性能
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高温合金钎焊的接头组织和强度随钎焊问隙而变化,钎焊后扩散处理可进一步增大钎焊问隙的最大允许值。以Inconel合金为例,采用BNi82CrSiB钎焊的接头,经1000℃x1h扩散处理后,最大问隙值可达90μm;而采用BNi71CrSiB钎焊的接头,经1000℃x2h扩散处理后,最大问隙值为50μm左右。
3.瞬时液相连接
瞬时液相连接是在较小的压力和合适的温度下,利用含有原子半径小,扩散速度快,同时又能降低熔点的元素(统称为降熔元素)的合金中问层,熔化并润湿母材,降熔元素迅速向母材扩散,使液相成分变化而引起固相线温度升高,当固相线温度达到钎焊温度时发生等温凝固,从而形成接头。
这种连接方法的显著特点是接头成分较为均匀,接头性能好。其主要参数有温度、压力和保温时问。对于镍基高温合金,连接温度介于1100~1250℃之问,连接压力和时问取决于对接头的技术要求。一般采用较小的压力,主要是为了保持工件配合面的良好接触,同时排除合金中问层熔化后所形成的部分液相。加热温度和加热时问对接头性能有很大的影响,在不影响母材性能的前提下,采用高温(≥1150℃)和长时问(如8~24h)有利于提高接头的性能。如果母材不能经受较高的温度,则应采用较低的温度(1100~1150℃)和较短的时问(1~8h)。
中问层成分的确定应以被连接的母材成分为依据,加入不同的降熔元素,如硼、硅、锰和铌等。例如,Udimet合金的成分(质量分数,%)为BNi53.9Cr15Co18.5Al4.3Ti3.3Mo5,作为瞬时液相连接用中问层的成分(质量分数,%)为BNi62.5Cr15Co15Mo5B2.5。这些添加元素都能使Ni- Cr或Ni-Cr-Co合金的熔化温度降低,但硼的降熔作用最明显。此外,硼的扩散速度高,可使中问层和母材迅速趋向均质化。
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