一種紫銅和鎳基高溫合金疊層復(fù)合構(gòu)件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明具體涉及一種紫銅和鎳基高溫合金疊層復(fù)合構(gòu)件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工程構(gòu)件中如高溫噴嘴等，常常要求同熱源結(jié)合的高溫側(cè)具有良好的耐高溫性能，而另一側(cè)具有良好的導(dǎo)熱性。目前多采用陶瓷與紫銅的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，但陶瓷硬度和脆性大，難于加工，受幾何形狀及尺寸影響較大；同時，由于陶瓷與金屬的熱物理及力學(xué)性能差別很大，導(dǎo)致兩者焊接接合界面存在較大的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，易在陶瓷側(cè)引起裂紋及斷裂，繼而影響了構(gòu)件壽命。此外，陶瓷/金屬焊接多采用釬焊及擴散焊，進一步影響了復(fù)合構(gòu)件的加工效率及構(gòu)件形狀、尺寸，從而限制了其應(yīng)用。
[0003]而鎳基高溫合金為應(yīng)用最為普遍的高溫金屬材料，塑性、韌性好，抗氧化能力強，易于加工，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用已趨于成熟。因此將兩種材料疊加在一起，制備一側(cè)為紫銅而另一側(cè)為鎳合金的金屬構(gòu)件將同時能夠滿足部件工作于高溫環(huán)境與促進導(dǎo)熱的要求，且提高了構(gòu)件服役壽命。但由于紫銅與鎳基高溫合金熱物理及力學(xué)性能存在一定不同，且兩者潤濕性較差，難于直接利用焊接技術(shù)將鎳基高溫合金與紫銅焊接在一起，易產(chǎn)生缺陷。因此，需選擇具有良好相容性材料進行過渡連接，即制備過渡堆敷層是實現(xiàn)有效兩者焊接的關(guān)鍵。目前針對紫銅與鎳基高溫合金異種材料焊接的研究較少，研究主要集中于在紫銅表面通過熱噴涂或送粉式激光堆敷等方法鎳基耐蝕合金粉末，以增加紫銅構(gòu)件的耐蝕性或硬度，且采用粉末材料時材料利用率低、存在粉塵污染等問題。
[0004]此外，作為快速成型技術(shù)，金屬部件增材制造工藝具有生產(chǎn)效率高、成本低、性能好、受構(gòu)件幾何形狀影響小等特點，從而受到人們的青睞，故本發(fā)明借助該技術(shù)制備鎳基高溫合金側(cè)構(gòu)件，以提高生產(chǎn)力，滿足不同幾何形狀疊層復(fù)合構(gòu)件的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明目的是為了滿足部分工程構(gòu)件對耐熱及導(dǎo)熱性能的要求，解決紫銅與鎳基高溫合金異種材料焊接的技術(shù)難題，提供一種紫銅和鎳基高溫合金疊層復(fù)合構(gòu)件的制備方法。
[0006]本發(fā)明是通過利用焊接技術(shù)先在紫銅構(gòu)件表面進行堆焊，形成過渡堆敷層，再利用增材制造技術(shù)在堆敷層加工鎳基高溫合金構(gòu)件，從而實現(xiàn)了紫銅與鎳基高溫合金的優(yōu)質(zhì)、高效連接。本發(fā)明具有生產(chǎn)效率高、受構(gòu)件尺寸及幾何形狀影響小、復(fù)合構(gòu)件服役壽命長、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。
[0007]技術(shù)方案:為達到上述目的，本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]—種紫銅和鎳基高溫合金疊層復(fù)合構(gòu)件的制備方法，包括如下步驟:
[0009](I)根據(jù)應(yīng)用及形狀要求，采用機械加工或熔鑄方法制作紫銅構(gòu)件；
[0010](2)采用砂輪或砂紙、酒精清理紫銅構(gòu)件同鎳基高溫合金直接相連的界面，去除氧化膜、油污、水分及雜質(zhì);采用火焰、電弧或電阻加熱方式將該界面預(yù)熱至150_500°C;
[0011](3)采用送絲式鎢極氬弧焊接方法，在紫銅構(gòu)件同鎳基高溫合金直接相連的界面上制備堆敷層；焊接時選用如下成分焊絲:按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)C為0.05 %?0.15% ;Mn為3 %?15% ;Fe為3% ?8% ;卩為0.005%?0.02% ; S為0.005% ?0.012% ; Si為0.5%?I.5% ；Cu為0.2%?1% ;Cr為8%?18% ;Nb為0.5%?3% ;Mo為0.2%?6% ;Ni為余量；
[0012](4)在步驟(3)獲得的堆敷層上，利用送絲式激光或電弧直接熔化沉積技術(shù)，按設(shè)計要求和設(shè)定程序，進行鎳基高溫合金逐層堆敷，通過堆敷層疊加形成鎳基高溫合金構(gòu)件，并最終形成由紫銅構(gòu)件、過渡堆敷層和鎳基高溫合金構(gòu)件構(gòu)成的紫銅與鎳基高溫合金的疊層復(fù)合構(gòu)件；
[0013](5)依據(jù)尺寸及精度要求，對步驟(4)獲得的紫銅與鎳基高溫合金疊層復(fù)合構(gòu)件進行加工。
[0014]作為優(yōu)選，上述步驟(I)中，紫銅構(gòu)件為Tl或T2紫銅板。
[0015]作為優(yōu)選，上述步驟(3)中，采用焊接電流為130A-250A，焊接電源直流正接，保護氣體為99.999 %高純度氬氣、氦氣或兩者混合氣體，流量為6-13L/min，焊接速度為2mm-10_/111；[11，焊絲直徑為1_-3_;每道堆敷層寬度為1-8_，層高為0.5_2mm。
[0016]作為優(yōu)選，上述步驟(4)中所采用的鎳基高溫合金焊絲可為HGH3030、HGH3039、HG30341，直徑為1.0-3.0111111，每道堆敷層寬為1-4111111，層高為1-3111111，保護氣體為氬氣、氦氣或兩者混合氣體。
[0017]作為優(yōu)選，上述步驟(4)中所采用的激光熱源為CO2激光、Nd:YAG激光或光纖激光；電弧熱源為TIG電弧或等離子弧。
[0018]有益效果:本發(fā)明通過采用特定成分焊絲，利用送絲式鎢極氬弧焊接技術(shù)，在紫銅構(gòu)件與鎳基高溫合金直接接觸表面制備過渡堆敷層，解決了紫銅與鎳基高溫合金因熱物理性能不同而難于焊接的問題，實現(xiàn)了兩者的優(yōu)質(zhì)連接;而利用激光或電弧直接熔化沉積技術(shù)在堆敷層制備鎳基高溫合金構(gòu)件，提高了生產(chǎn)效率高、減小了復(fù)合構(gòu)件尺寸及形狀的限制；相較于金屬/陶瓷復(fù)合構(gòu)件，本發(fā)明所制備的復(fù)合構(gòu)件，接合界面應(yīng)力低、接頭強度高、脆性較小，韌性可提高1-3倍，易于再次加工，大大提高了構(gòu)件服役壽命，從而擴大了其應(yīng)用范圍。
【附圖說明】
[0019]圖1為紫銅與鎳基高溫合金疊層復(fù)合構(gòu)件的構(gòu)造示意圖，其中(a)為疊層復(fù)合構(gòu)件的構(gòu)造示意圖，(b)為疊層復(fù)合構(gòu)件焊接路徑示意圖。
[0020]圖中:1為紫銅構(gòu)件，2為過渡堆敷層，3為鎳基高溫合金構(gòu)件。
[0021 ]圖2為過渡堆敷層與紫銅結(jié)合處金相圖片。
[0022]圖3為過渡堆敷層與紫銅結(jié)合處掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]如圖1所示的紫銅與鎳基高溫合金復(fù)合構(gòu)件尺寸為10mmX 100mmX20mm，其中紫銅構(gòu)件1(紫銅板)厚12mm，牌號Tl;鎳基高溫合金構(gòu)件3為GH3030，厚度為6mm，過渡堆敷層2厚約2mm。
[0025]焊接工藝平臺:加工裝置由福尼斯TPS400TIG電源，IPG公司YLS-6000光纖激光熱源，福尼斯送絲機以及KUKA機器人組成；加工過程中，將熱源機頭與送絲機導(dǎo)電嘴固定于KUKA機器人。
[0026]焊接方案:過渡堆敷層制備過程中，TIG電源直流正接，焊接電流為180A