[发明专利]激光控制枝晶生长方向的IC10合金连接和修复方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对高温结构材料IC10合金零部件之间连接和失效部件的激光控制枝晶生长方向的熔焊修复方法，属于激光材料加工领域。 

背景技术

定向凝固合金由于消除或者减少了与主应力轴方向垂直的横向晶界，显著提高了材料的高温蠕变及持久性能，可以延长航空发动机、燃气涡轮叶片等关键部件的使用寿命，而且与单晶镍基高温合金相比，定向凝固镍基高温合金价格低廉，因而是航空发动机等高温部件的首选材料。以定向凝固Rene80合金材料为例，其拉伸性能和蠕变寿命与普通铸造Rene80合金相比分别提高了10-15%和1-3倍。 

IC10合金是我国北京航空材料研究院自行研制的新型定向凝固高温合金，高温强度达到国外一代定向合金水平，同时具有良好的抗氧化、耐腐蚀性能，高温下组织稳定，合金中不含Ti，含有1.5％的Hf，铸造性能良好，可进行大缘板、薄壁（0.6mm）、复杂内腔结构叶片的整体定向凝固成形。一般用于制作1100℃以下工作的燃气涡轮导向叶片以及其他高温零件。在采用IC10材料制作燃气涡轮导向叶片或其他高温部件的过程中，常常存在材料的自身连接以及与其他高温合金的连接问题。以及这些高温零部件在工作环境中失效需要进行修复的情况，探索IC10材料的熔焊连接和修复方法具有潜在的实际价值。 

由于应用的推动，人们不断的探索采用各种方法实现IC10材料的连接以及修复问题。IC10合金材料熔焊连接的裂纹问题已经成为限制该材料扩大应用领域的“瓶颈”。裂纹问题是由IC10材料自身的冶金特性决定的。由于定向凝固Ni₃Al基IC系列合金中w(Al、Ti)≥6%，主要强化相γ’相所占的体积百分数约为65％～75％。从材料成分和相组成方面看，该材料已经在 不可焊范围。 

加拿大学者O.A.Ojo等人在对定向凝固合金IC6进行激光焊接后发现，焊缝的熔合区存在大量的裂纹，在靠经熔合区的热影响区出现了许多微裂纹。裂纹原因在于，激光焊接冷却速度较快，枝晶干析出的Al元素减少，液相中Al元素富集，导致凝固结束时温度降低到三元共晶温度，形成了几乎连续的枝晶间γ-γ′-NiMo(Y)三元共晶组织，这种低熔共晶在焊缝凝固几近结束时在热胀冷缩造成的应力作用下形成了凝固裂纹。热影响区裂纹形成的原因是热影响区附近晶界处的低熔共晶在焊接热作用下发生重熔，然后在焊接应力的作用下被撕开造成的。热影响区晶间的富Mo碳化物和硼化物是液膜的主要成分。 

西北工业大学罗晓娜等人在采用电子束焊接IC10合金的研究中发现，在焊缝中心线以及热影响区附近存在一些肉眼可视的线形横向裂纹，并对裂纹的形成原因做了分析总结：焊缝截面呈现钉形形貌，在深度方向上熔合区边界存在较大的温度梯度。而在形状突变的钉头颈部和钉尖部位，温度梯度表现最为严重，产生了数值大而持续的拉应力，为热影响区沿晶裂纹的形成和扩展提供了条件，成为焊接接头的薄弱环节。另外电子束焊接时电子束还会对工件产生强烈的热冲击效应，这种热冲击效应会加速和恶化微裂纹的扩展甚至造成宏观裂纹的产生。 

毛唯、李晓红等人采用钴基钎料及Rene’95高温合金粉末对IC10与GH3039高温合金进行了真空钎焊及大间隙钎焊的研究。研究发现，在1180℃/30min规范下钎焊连接IC10与GH3039高温合金，可获得致密完整的真空钎焊接头及大间隙钎焊接头，该接头在900℃下的拉伸性能和持久性能均超过GH3039母材水平，拉伸和持久试验时，断裂都发生在GH3039母材上，因而具有较高的性能。 

候金保等人采用自主设计的KNi-3中间层对IC10进行了TLP扩散焊，经1240℃±10℃，保温10h后，接头高温持久强度达到基体强度的80％以上。高温长时间使用后，接头组织经过长时间扩散与基体相同，室温下接头 强度超过基体屈服强度，与基体抗拉强度相近；高温下接头抗拉强度和基体相同。 

虽然上述钎焊或者TLP扩散焊方法是解决IC10材料连接问题的可行方法，但是也存在异质接头和抗拉强度与木材不匹配等问题，探讨新型的同质、与母材匹配的焊接接头的研究任务刻不容缓。 

激光焊接是一种先进的材料连接方法，与传统的焊接方法相比具有许多优点：如激光能量密度高，焊接加热、冷却速度快、热输入量小、焊接接头的热影响区窄、焊接变形小等，而且激光焊接过程易于实现自动控制，稳定性和可靠性程度高，加工适应性强，因而激光焊接具有明显的优势。