CN119820174A - 一种含钯低熔点镍基合金、钎料及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含钯低熔点镍基合金、钎料及制备方法和应用，属于金属钎焊技术领域。所述含钯低熔点镍基合金，以质量百分数计，原料组成为：20％～40％的钯、5％～15％的铬、0.5％～8％的硅、2.0％～4.0％的硼、0～1.0％的钇、余量为镍；各原料纯度均不小于99.99％。由该含钯低熔点镍基合金制备的钎料还包括粘结剂；所述镍基合金和粘结剂的质量比为1：0.05‑0.3，粘结剂为丙二醇或树脂。与传统镍基高温钎料相比，该含钯镍基钎料可显著降低GH4169高温镍基合金的钎焊温度，本发明可以避免焊接过程中的高温环境对母材的性能损伤，使接头整体综合性能得以提升。

Description

一种含钯低熔点镍基合金、钎料及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及金属钎焊技术领域，更具体的说是涉及一种含钯低熔点镍基合金、钎料及制备方法和应用。

背景技术

GH4169合金是一种时效沉淀强化型镍基高温合金(国外牌号Inconel718)，合金组织由基体γ相、δ相、主要强化相和辅助强化相以及碳化物组成。该合金在650℃以下具有优良的综合力学性能和工艺性能，是航空发动机热端部件应用最为广泛的材料。GH4169合金中δ相的数量、形貌及分布对其变形行为和力学性能影响巨大。其中，δ相可以促进动态再结晶形核，具有钉扎晶界、抑制晶粒长大，适量的δ相还可提高合金塑性、降低缺口敏感性。GH4169合金中δ相在780℃～980℃析出，在温度超过980℃后开始溶解，当温度升高至1020℃左右时将完全固溶于γ基体，严重影响合金蠕变、高温持久等性能。

目前，对于一些具有复杂形状和结构的GH4169镍基合金发动机热端部件均采用钎焊精密连接工艺。然而，过高的钎焊工艺温度下，δ相将发生溶解，合金晶粒迅速长大，导致GH4169合金焊后高温持久性能受到严重破坏，即使进行焊后固溶和时效处理仍不能完全恢复到焊前状态。

因此，为尽可能保证GH4169镍基高温合金焊后性能，研发一种具有更低熔点，在δ相固溶温度以下(980℃焊接条件下)可具有良好的润湿性、填缝能力，接头力学性能优良的含钯低熔点镍基钎料是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种含钯低熔点镍基合金、钎料及制备方法和应用。本发明利用钯元素对镍元素的降熔作用，钇元素对于钎焊接头高温性能的提升，使得钎料的熔点降低40-60℃，同时可以提高钎料的润湿性能和接头的整体强度，在添加1％钇元素后，钎焊接头高温持久性能可提升20％。

本发明目的之一，提供一种含钯低熔点镍基合金，以质量百分数计，所述合金的原料组成为：

20％～40％的钯、5％～15％的铬、0.5％～8％的硅、2.0％～4.0％的硼、0～1.0％的钇、余量为镍；

其中，组成所述合金的各原料纯度均不小于99.99％。

本发明目的之二，提供一种含钯低熔点镍基钎料，包括所述含钯低熔点镍基合金，还包括粘结剂；所述含钯低熔点镍基合金和粘结剂的质量比为1：0.05-0.3。

优选的，所述粘结剂为丙二醇或树脂。

进一步优选的，所述树脂为苯乙烯共聚物。

采用上述技术方案的有益效果为：该含钯低熔点镍基合金可在较低温度下(980℃)实现对高温镍基合金的真空焊接。

本发明目的之三，提供一种含钯低熔点镍基合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照质量百分比称取各原料，分别将所述原料在丙酮溶液中超声清洗15分钟，再在酒精溶液中超声清洗5分钟，烘干备用；

(2)将镍原料、铬原料、钯原料、硅原料、硼原料、钇原料混合均匀，置于真空电弧熔炼炉中，抽低真空后充满氩气，反复熔炼4次，得到镍基合金铸锭，待冷却后从真空电弧熔炼炉中取出，打磨去除表面金属浮渣，即得所述含钯低熔点镍基合金。

优选的，步骤(1)中，所述丙酮溶液的浓度为99.5％。

优选的，步骤(2)中，所述抽低真空的真空度为1×10^-1Pa，所述反复熔炼每次间隔5min，所述熔炼温度为1200-1300℃，熔炼时间为10-30min，以便于各元素充分扩散融合。

采用上述技术方案的有益效果为：可保证含钯低熔点镍基合金成分比例稳定，不含过多杂质。

本发明目的之四，提供一种含钯低熔点镍基钎料的制备方法，具体操作为：将所述含钯低熔点镍基合金制成非晶态薄片或粉末。

优选的，所述非晶态薄片的厚度为40-500μm；所述粉末的粒径为5-100μm。

进一步优选的，上述制备方法还包括：按照质量比称取所述含钯低熔点镍基合金粉末和所述粘结剂，混合均匀，制成焊膏。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：粘结剂可以提高钎料的流动性，方便涂敷于工件上，同时可以清除母材和钎料表面的氧化物，提高焊接质量。

本发明目的之五，提供一种含钯低熔点镍基钎料的应用，含钯低熔点镍基钎料在镍基高温合金、不锈钢或钴基高温合金的钎焊中的应用。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明利用钯元素对镍元素的降熔作用，钇元素对于钎焊接头高温性能的提升，使得钎料的熔点降低40-60℃，同时可以提高钎料的润湿性能和接头的整体强度，在添加0.5％钇元素后，钎焊接头高温持久性能可提升20％。主要解决了以下问题：优化铬、钯、硅、硼和镍的含量，添加硅、硼、钯可以显著降低钎料的固相线和液相线，提高钎料的润湿、填缝性能；添加铬可以起到固溶强化的作用、提高钎料的强度，同时还可提升钎料的抗氧化性能；添加稀土元素钇可以显著提升钎焊接头的高温持久性能。与传统镍基高温钎料相比该含钯镍基钎料可显著降低GH4169高温镍基合金的钎焊温度，本发明可以避免焊接过程中的高温环境对母材的性能损伤，使接头整体综合性能得以提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1Pd-Ni二元相图

图2Pd-B二元相图

图3Pd-Si二元相图

图4实施例1钎料DSC曲线图；

图5实施例1钎料焊接接头SEM微观组织形貌照片；

图6实施例1钎料焊接接头力学性能曲线；

图7实施例2钎料DSC曲线图；

图8实施例3钎料DSC曲线图；

图9实施例4钎料DSC曲线图；

图10实施例4钎料焊接接头力学性能曲线；

图11中，a)原始GH4169金相图；b)实施例1钎料980℃1h焊接后金相图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

含钯低熔点镍基钎料的制备方法，包括以下步骤：

(1)含钯低熔点镍基合金，其化学成分的质量百分比分别为：10％铬、36％钯、1％硅、3％硼、余量为镍，按照以上质量百分比称取各种高纯原料，分别将所述原料在丙酮溶液中超声清洗15分钟，再在酒精溶液中超声清洗5分钟，烘干备用，各种高纯原料的纯度均不小于99.99％；

(2)将镍原料、铬原料、钯原料、硅原料、硼原料混合均匀，在氩气的保护气氛下于电弧炉中加热熔炼4次，熔炼温度为1300℃，熔炼总时间为20分钟，得到块状合金；

(3)将块状合金制成非晶态薄片，非晶态薄片的制备方法为单辊急冷法，非晶态薄片的厚度为50μm。

对实施例1得到的钎料进行熔点测试，该成分钎料的熔点为828.82～961.43℃(如图4所示)。

采用该成分的钎料，对高温合金GH4169进行钎焊，钎焊温度选择980℃，保温时间20分钟。钎焊之后对钎焊接头进行金相组织观察，接头焊接质量良好，如图6所示。该钎料在上述钎焊参数下获得的接头抗拉强度可以达到530MPa至580MPa，达到了母材92.8％，如图3所示，高温持久性能(650℃/200MPa)超过10h。

实施例2

含钯低熔点镍基钎料的制备方法，包括以下步骤：

(1)含钯低熔点镍基合金，其化学成分的质量百分比分别为：9.6％铬、27％钯、7.3％硅、2.35％硼、余量为镍，按照以上质量百分比称取各种高纯原料，分别将所述原料在丙酮溶液中超声清洗15分钟，再在酒精溶液中超声清洗5分钟，烘干备用，各种高纯原料的纯度均不小于99.99％；

(2)将镍原料、铬原料、钯原料、硅原料、硼原料混合均匀，在氩气的保护气氛下于电弧炉中加热反复熔炼4次，熔炼温度为1300℃，熔炼总时间为15分钟，得到块状合金；

(3)将块状合金制成粉末，粉末的制备方法为雾化喷粉法，粉末的粒径为5-15μm。

称取上述粉末和苯乙烯共聚物，粉末和苯乙烯共聚物的质量比为1：0.1，将粉末和粘结剂混合均匀并进行轧制，制成粘带钎料。

对实施例2得到的钎料进行熔点测试，该成分钎料熔点为850.91～960.70℃(如图7所示)。

采用该成分的钎料，对高温合金GH4169进行钎焊，钎焊温度选择980℃，保温时间2小时。接头焊接质量较好，焊缝宽度55μm，接头抗拉强度450-480MPa。

实施例3

含钯低熔点镍基钎料的制备方法，包括以下步骤：

(1)含钯低熔点镍基合金，其化学成分的质量百分比分别为：9.2％铬、23％钯、7.1％硅、2.4％硼、余量为镍，按照以上质量百分比称取各种高纯原料，分别将所述原料在丙酮溶液中超声清洗15分钟，再在酒精溶液中超声清洗5分钟，烘干备用，各种高纯原料的纯度均不小于99.99％；

(2)将镍原料、铬原料、钯原料、硅原料、硼原料混合均匀，在氩气的保护气氛下于电弧炉中加热熔炼4次，熔炼温度为1300℃，熔炼总时间为30分钟，得到块状合金；

(3)将块状合金制成粉末，粉末的制备方法为雾化喷粉法，粉末的粒径为20-50μm。

称取上述粉末和丙二醇，粉末和丙二醇的质量比为1：0.2，将粉末和粘结剂混合均匀，制成焊膏。

对实施例3得到的钎料粉末进行熔点测试，该成分钎料熔点为852.59～941.62℃(如图8所示)。

采用该成分的钎料，对高温合金GH4169进行钎焊，钎焊温度选择980℃，保温时间2h。接头焊接质量较好，焊缝宽度62μm，接头抗拉强度380-420MPa。

实施例4

含钯低熔点镍基钎料的制备方法，包括以下步骤：

(1)含钯低熔点镍基合金，其化学成分的质量百分比分别为：9.5％铬、25％钯、7％硅、2.2％硼、0.5％钇，余量为镍，按照以上质量百分比称取各种高纯原料，分别将所述原料在丙酮溶液中超声清洗15分钟，再在酒精溶液中超声清洗5分钟，烘干备用，各种高纯原料的纯度均不小于99.99％；

(2)将镍原料、铬原料、钯原料、硅原料、硼原料、钇原料混合均匀，在氩气的保护气氛下于电弧炉中加热熔炼，熔炼温度为1300℃，熔炼总时间为30分钟，得到块状合金；

(3)将块状合金制成粉末，粉末的制备方法为雾化喷粉法，粉末的粒径为20-50μm。

称取上述粉末和丙二醇，粉末和丙二醇的质量比为1：0.2，将粉w末和粘结剂混合均匀，制成焊膏。

对实施例4得到的钎料粉末进行熔点测试，该成分钎料熔点为945.36℃～979.76℃(如图9所示)。

采用该成分的钎料，对高温合金GH4169进行钎焊，钎焊温度选择980℃，保温时间2h。接头焊接质量较好，接头抗拉强度600MPa(如图10所示)、高温持久性能(650℃/200MPa)超过12h。

本发明原料组分、制备方法的技术构思是：

钯具有良好的塑性和高温性能，但钯的熔点较高(1555℃)。根据Pd-Ni相图(图1)，当钯含量为60％时，形成一低熔固溶体，其熔点为1237℃，但熔点仍较高，为进一步降低其熔点，可加入Si、B等降熔元素。

Pd-B相图如图2所示，在B-2.6％(质量)处形成一共晶点，其熔点为850℃。所以Pd-B共晶熔点比Ni-B共晶熔点(1045℃)低得多，加入较少的B即可降低其熔点。此外，硼在钯中的溶解度比较大，在共晶温度下，硼在钯中的溶解度达到2.3％(质量)，合金脆性小。

Pd-Si相图如图3所示，与Ni-Si相图相似，硅在钯中的溶解度小于0.1％，在15.5％Si(原子)处形成共晶反应，熔点为780℃。因此，在Pd中只要加入少量Si就可达到降低其熔点的目的。

因此，硼和硅对降低镍钯合金熔点作用比镍基钎料熔点的作用更为显著。在钎料中添加Cr元素是提高钎料的抗氧化性。通过试验研究，含量约11％Cr时钎料的熔点较低。

Pd钎料组织有镍(钯)固溶体，镍(钯)固溶体和硼化镍组成的共晶体，少量硼化铬组成。由于钎料含有较多固溶体，硬度较低，塑性比镍基钎料好。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种含钯低熔点镍基合金，其特征在于，以质量百分数计，原料组成为：20％～40％的钯、5％～15％的铬、0.5％～8％的硅、2.0％～4.0％的硼、0～1.0％的钇、余量为镍；

所述各原料的纯度均不小于99.99％。

2.一种含钯低熔点镍基钎料，其特征在于，包括权利要求1所述含钯低熔点镍基合金。

3.根据权利要求2所述一种含钯低熔点镍基钎料，其特征在于，还包括粘结剂，所述含钯低熔点镍基合金和粘结剂的质量比为1：0.05-0.3。

4.根据权利要求3所述一种含钯低熔点镍基钎料，其特征在于，所述粘结剂为丙二醇或树脂。

5.根据权利要求3所述一种含钯低熔点镍基钎料，其特征在于，所述树脂为苯乙烯共聚物。

6.一种含钯低熔点镍基合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照权利要求1所述质量百分比称取各原料，分别将所述原料在丙酮溶液中超声清洗15分钟，再在酒精溶液中超声清洗5分钟，烘干备用；

(2)将镍原料、铬原料、钯原料、硅原料、硼原料、钇原料混合均匀，置于真空电弧熔炼炉中，抽低真空后充满氩气，反复熔炼4次，得到镍基合金铸锭，待冷却后从真空电弧熔炼炉中取出，打磨去除表面金属浮渣，即得所述含钯低熔点镍基合金。

7.根据权利要求6所述的一种含钯低熔点镍基合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述抽低真空的真空度为1×10^-1Pa，所述反复熔炼每次间隔5min，所述熔炼温度为1200-1300℃，熔炼总时间为10-30min。

8.一种含钯低熔点镍基钎料的制备方法，其特征在于，将权利要求6-7任一所述含钯低熔点镍基合金制成非晶态薄片或粉末。

9.根据权利要求8所述一种含钯低熔点镍基钎料的制备方法，其特征在于，还包括：按照权利要求3所述质量比称取所述含钯低熔点镍基合金粉末和所述粘结剂，混合均匀，制成焊膏。

10.一种含钯低熔点镍基钎料的应用，其特征在于，根据权利要求8-9任一所述方法制备的含钯低熔点镍基钎料在镍基高温合金、不锈钢或钴基高温合金的钎焊中的应用。