权利要求
1.一种
镍基合金与铌钨合金的焊接方法，所述方法包括以下步骤：
S1，将镍基合金与铌钨合金组对、装夹形成待焊接组件;
S2，采用第一真空电子束焊接工艺对所述待焊接组件进行定位焊接得到定位焊件，所述定位焊接的电子束流为20mA-30mA;
S3，采用第二真空电子束焊接工艺对所述待焊接组件进行定位焊接得到正式焊件，所述正式焊接的电子束向所述铌钨合金偏移且束偏移量为0.2mm-0.3mm、电子束流为50mA-60mA;
S4，将所述焊件冷却至室温后进行退火，所述退火温度为1100℃-1450℃。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，所述第一真空电子束焊接工艺和所述第二真空电子束焊接工艺各自独立地满足以下条件中的任意一种或多种：
1) 焊接室的真空度≤10-3Pa;
2) 加速电压为50kV-60kV;
3) 焊接速度为400mm/min-600mm/min;
4) 聚焦电流为630mA-640mA。
3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其中，所述正式焊接和定位焊接的电子束聚焦方式均为表面聚焦。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的焊接方法，其中，所述镍基合金与所述铌钨合金的待焊接表面粗糙度均≤0.3μm，组对后所述镍基合金与所述铌钨合金的待焊接表面的间隙为1mm-2mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的焊接方法，其中，所述步骤S4的冷却过程中使所述正式焊接的焊接室的压力以0.5Pa/min-2Pa/min的速度升压。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的焊接方法，其中，所述步骤S4的冷却过程中向所述焊接室通入气体冷却并升压，可选地，所述气体包括氩气、氦气至少一种。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的焊接方法，其中，所述冷却的速度为10℃/min-30℃/min。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的焊接方法，其中，所述退火处理包括：在真空度≤10-8Pa的真空环境下，将冷却后的所述焊件加热到1100℃- 1450℃，并保温0.5h-1h。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的焊接方法，其中，所述铌钨合金包括Nb521、Nb6621合金中的至少一种，和/或所述镍基高温合金包括GH4169、GH3044、GH3625合金中的至少一种。
10. 一种焊接组件，包括通过焊缝焊接的铌钨合金和镍基合金，所述焊接组件的抗拉强度为330MPa -380MPa、硬度为370Hv -480Hv。
11.根据权利要求10所述的焊接组件，其中，所述焊接组件采用权利要求1至9中任一项所述的焊接方法制备而成。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属焊接技术领域，具体涉及一种镍基合金与铌钨合金的焊接方法及焊接组件。
背景技术
[0002]在航空航天等领域中，部件对材料的综合性能提出了极高要求，尤其在燃烧室、涡轮叶片等高温、高强度、轻质量部位，如何实现不同高温合金材料之间的可靠连接成为一项关键技术挑战。镍基高温合金因其出色的高温抗氧化性、蠕变强度和耐冲击性，被广泛应用于上述关键部位。然而，其较高的密度限制了进一步提升发动机推重比的潜力。相比之下，Nb521合金作为一种中等强度塑性的弥散强化型铌钨难熔合金，兼具高熔点、低密度与良好的高温力学性能，在航天减重设计中展现出极大优势。
[0003]因此，实现镍基高温合金与铌钨难熔合金之间的高质量焊接连接，将有助于兼顾材料的高温性能与减重需求。然而，由于两类材料在物理性能(如熔点、导热系数、热膨胀系数)、冶金行为(如元素扩散与反应活性)等方面存在显著差异，使其焊接连接过程极易产生裂纹、孔隙、元素偏析、界面脆化等焊接缺陷，成为工程实际中的技术难题。
[0004]目前已有文献报道了多种高温合金的焊接方法。如公开号为CN112570876A的中国专利申请公开了GH4141镍基高温合金的真空电子束焊接方法，通过调节焊接参数有效减少了裂纹与变形，但并未涉及与铌钨合金的异种连接。公开号为CN119260132A的中国专利申请提出了用于微米尺度镍基箔材的电子束焊接技术，改善了焊缝致密性，但仍局限于同质材料。
[0005]可见，现有技术未能提供一种可实现铌钨难熔合金与镍基高温合金高质量焊接连接的可靠方法。
发明内容
[0006]针对上述问题，本发明提出了一种镍基合金与铌钨合金的焊接方法及焊接组件。
[0007]在本发明的第一方面，本发明提供了一种基合金与铌钨合金的焊接方法，包括以下步骤：
[0008]S1，将镍基合金与铌钨合金组对、装夹形成待焊接组件;
[0009]S2，采用第一真空电子束焊接工艺对待焊接组件进行定位焊接得到定位焊件，定位焊接的电子束流为20mA-30mA;
[0010]S3，采用第二真空电子束焊接工艺对待焊接组件进行定位焊接得到正式焊件，正式焊接的电子束向铌钨合金偏移且束偏移量为0.2mm -0.3mm、电子束流为50mA-60mA;
[0011]S4，将焊件冷却至室温后进行退火，退火温度为1100℃-1450℃。
[0012]在第一方面的任一实施方式中，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺各自独立地满足以下条件中的任意一种或多种：
[0013]1) 焊接室的真空度≤10-3Pa;
[0014]2) 加速电压为50kV-60kV;
[0015]3) 焊接速度为400mm/min-600mm/min;
[0016]4) 聚焦电流为630mA-640mA。
[0017]在第一方面的任一实施方式中，正式焊接和定位焊接的电子束聚焦方式均为表面聚焦。
[0018]在第一方面的任一实施方式中，镍基合金与铌钨合金的待焊接表面粗糙度均≤0.3μm，组对后镍基合金与铌钨合金的待焊接表面的间隙为1mm-2mm。
[0019]在第一方面的任一实施方式中，步骤S4的冷却过程中使正式焊接的焊接室的压力以0.5Pa/min-2Pa/min的速度升压。
[0020]在第一方面的任一实施方式中，步骤S4的冷却过程中向焊接室通入气体冷却并升压。可选地，气体包括氩气、氦气至少一种。
[0021]在第一方面的任一实施方式中，冷却的速度为10℃/min-30℃/min。
[0022]在第一方面的任一实施方式中，退火处理包括：在真空度≤10-8Pa的真空环境下，将冷却后的焊件加热到1100℃- 1450℃，并保温0.5 h- 1h。
[0023]在第一方面的任一实施方式中，铌钨合金包括Nb521、Nb6621合金中的至少一种，和/或镍基高温合金包括GH4169、GH3044、GH3625合金中的至少一种。
[0024]在本发明的第二方面，本发明提供了一种焊接组件，包括通过焊缝焊接的铌钨合金和镍基合金，焊接组件的抗拉强度为330MPa -380MPa、硬度为380Hv-480Hv。上述抗拉强度和硬度表明，本发明实现了铌钨合金和镍基合金异种材料界面的高强度冶金结合。
[0025]在第二方面的任一实施方式中，焊接组件采用第一方面的任一实施方式所述的焊接方法制备而成。
附图说明
[0026]此处的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0027]图1为实施例1中焊缝的宏观形貌;
[0028]图2为实施例2中焊缝的宏观形貌;
[0029]图3为实施例2中焊缝的微观形貌。
具体实施方式
[0030]下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
[0031]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0032]如背景技术所描述，现有技术中未能实现镍基高温合金与铌钨难熔合金之间的高质量焊接连接。为了解决该问题，本发明提供了一种用于镍基合金与铌钨合金的焊接方法以及焊接组件。
[0033]本发明的第一实施方式提供了一种用于镍基合金与铌钨合金的焊接方法，包括以下步骤：
[0034]S1，将镍基合金与铌钨合金组对、装夹形成待焊接组件;
[0035]S2，采用第一真空电子束焊接工艺对待焊接组件进行定位焊接得到定位焊件，定位焊接的电子束流为20mA-30mA;
[0036]S3，采用第二真空电子束焊接工艺对待焊接组件进行定位焊接得到正式焊件，正式焊接的电子束向铌钨合金偏移且束偏移量为0.2mm -0.3mm、电子束流为50mA-60mA;
[0037]S4，将焊件冷却至室温后进行退火，退火温度为1100℃-1450℃。
[0038]上述焊接方法中，首先，在S2中采用20mA-30mA的较低电子束流对待焊接组件进行定位焊接，该步骤不仅能够使材料表面微熔，实现临时固定，抑制正式焊接时的热变形，同时低束流工艺将界面温度控制在共晶点以下，能够从源头上抑制脆性相生成;S3中正式焊接的电子束向铌钨合金偏移0.2mm-0.3mm有利于平衡熔池热量分布，避免镍基合金过热熔损，同时确保高熔点铌钨合金充分熔合，且50mA-60mA的电子束流与偏移量协同调控熔池对流，使熔池成分趋于均匀化;最后步骤S4降温至再结晶温度以下再退火，能够抑制晶界反应，降低残余应力。上述技术方案的多级温度调整与焊接参数的协同优化在整体上实现了镍基合金与铌钨合金的低应力均匀熔合，显著提升了焊接接头的冶金相容性与服役可靠性。
[0039]在一些实施方式中，定位焊接的电子束流可以是20mA、21mA、22mA、23mA、24mA、25mA、26mA、27mA、28mA、29mA、30mA或在上述任意两个数值的范围内。
[0040]在一些实施方式中，正式焊接的电子束偏移量可以是0.2mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm、0.3mm或在上述任意两个数值的范围内。
[0041]在一些实施方式中，正式焊接的电子束流可以是50mA、51mA、52mA、53mA、54mA、55mA、56mA、57mA、58mA、59mA、60mA或在上述任意两个数值的范围内。
[0042]在一些实施方式中，退火温度可以是1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃或在上述任意两个数值的范围内。
[0043]在一些实施方式中，镍基合金与铌钨合金的待焊接表面粗糙度均≤0.3μm，例如镍基合金与铌钨合金的待焊接表面粗糙度各自独立地为0.3μm、0.2μm、0.1μm或在上述任意两个数值的范围内、或小于0.1μm。在一些实施方式中，组对后镍基合金与铌钨合金的待焊接表面的间隙为1mm-2mm，例如，组对后镍基合金与铌钨合金的待焊接表面的间隙可以是1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2mm或在上述任意两个数值的范围内，上述粗糙度与间隙控制的结合能够提升镍基合金与铌钨合金的接触面积，从源头消除未熔合风险。
[0044]本发明中的待焊接表面粗糙度可以按照如下方法测量：室温下采用接触式表面粗糙度测量仪(轮廓仪)，按照ISO 4287标准进行检测。测量前需用无水乙醇清洁待测表面，去除油污和杂质。选取焊缝区域至少3个不同位置作为测量点，每个测量点沿垂直于加工纹理方向进行5次扫描，取算术平均值作为该点Ra值。最终粗糙度取所有测量点Ra值的平均值。
[0045]在一些实施方式中，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺中，焊接室的真空度各自独立地≤10-3Pa，例如，第一真空电子束焊接和第二真空电子束焊接的焊接室真空度可以各自独立地是0.8×10-3Pa、0.6×10-3Pa、0.4×10-3Pa、0.2×10-3Pa、1×10-4Pa或在上述任意两个数值的范围内、或小于1×10-4Pa。第一真空电子束焊接工艺中，上述较高真空环境能够防止微熔区氧化污染，保障临时结合面的纯净度。第二真空电子束焊接工艺中，上述较高真空环境能够阻断铌钨合金活性氧化，同时避免脆性氮化物析出，抑制焊缝气孔及氧化夹杂物生成。
[0046]在一些实施方式中，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺的加速电压各自独立地为50kV-60kV，例如，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺的加速电压可以各自独立地是50Kv、51Kv、52Kv、53Kv、54Kv、55Kv、56Kv、57Kv、58Kv、59Kv、60Kv或在上述任意两个数值的范围内。通过将加速电压控制在上述范围内，能够控制电子束穿透深度，在第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺中分别形成定位用临时接头和正式焊接焊缝。
[0047]在一些实施方式中，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺的焊接速度各自独立地为400mm/min-600mm/min，例如，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺的焊接速度可以各自独立地是400mm/min、450mm/min、500mm/min、550mm/min、600mm/min或在上述任意两个数值的范围内。上述范围内的焊接速度既能形成连续熔池，又可以防止局部过热，减少镍基合金的共晶反应，抑制金属间化合物析出。
[0048]在一些实施方式中，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺的聚焦电流各自独立地为630mA-640mA，例如，第一真空电子束焊接工艺和第二真空电子束焊接工艺的聚焦电流可以各自独立地是632mA、634mA、636mA、638mA、640mA或在上述任意两个数值的范围内。在真空电子束焊接中，聚焦电流决定电子束的聚焦程度和束斑直径，进而影响能量密度分布。上述范围内的聚焦电流既能够实现第一和第二真空电子束焊接工艺所需的热场分布，又不会过聚焦引发局部蒸发烧损或裂纹。
[0049]在一些实施方式中，正式焊接和定位焊接的电子束聚焦方式均为表面聚焦。在真空电子束焊接中，表面聚焦指电子束的焦点精确控制在工件表面，定位焊接中表面聚焦时能量峰值位于工件表面，有利于实现超浅层熔化，而在正式焊接使用表面聚焦则能够通过扩大熔池表面积显著降低温度梯度，实现熔透深度稳定性与气孔、裂纹等缺陷抑制。
[0050]在一些实施方式中，步骤S4的冷却过程中使正式焊接的焊接室的压力以0.5Pa/min-2Pa/min的速度升压，例如，升压速度可以是0.5Pa/min、1Pa/min、1.5Pa/min、2Pa/min或在上述任意两个数值的范围内。上述升压速度使氧分压呈线性渐变，有利于抑制冷却相变区的晶界氧化，使残余应力均匀释放从而减少裂纹。
[0051]在一些实施方式中，步骤S4的冷却过程中向焊接室通入气体冷却并升压，该冷却过程能够提高冷却的均匀性，减少晶界的碳化物析出从而减少局部淬硬。
[0052]在一些实施方式中，气体包括氩气、氦气中的至少一种。
[0053]在一些实施方式中，冷却的速度为10℃/min-30℃/min，例如，冷却的速度可以是10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min、30℃/min或在上述任意两个数值的范围内。上述冷却速度能够较好地平衡镍基合金高温强度与铌钨合金的冲击韧性。
[0054]在一些实施方式中，退火处理包括：在真空环境中，将冷却后的焊件加热到1100℃- 1450℃，并保温0.5h- 1h。例如，退火处理可以包括在真空环境中，将冷却后的焊件加热到1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1450℃或上述任意两个数值的范围内，且可以包括保温0.5h、0.7h、0.8h、0.9h、1h或上述任意两个数值的范围内。通过对冷却后的焊件进行上述升温后保温的处理，能够溶解残留的脆性相，并通过再结晶细化晶粒。
[0055]本发明中的焊接方法对于镍基合金与铌钨合金的种类没有特别的限制。在一些实施方式中，铌钨合金包括Nb521、Nb6621合金中的至少一种。在一些实施方式中，镍基高温合金包括GH4169、GH3044、GH3625合金中的至少一种。
[0056]本发明的第二实施方式提供了一种焊接组件，包括通过焊缝焊接的铌钨合金和镍基合金，焊接组件的抗拉强度为330MPa -380MPa、硬度为380Hv-480Hv。例如，焊接组件的抗拉强度可以是330 MPa、340 MPa、350 MPa、360 MPa、370 MPa、380MPa或在上述任意两个数值的范围内;焊接组件的硬度可以是380Hv、390Hv、400Hv、410Hv、420Hv、430Hv、4400Hv、450Hv、460Hv、470Hv、480Hv或在上述任意两个数值的范围内。上述高抗拉强度和高硬度表明焊接组件兼具卓越承载能力与抗疲劳断裂性能，实现了铌钨合金和镍基合金的异种材料界面高强度冶金结合。上述焊接组件的抗拉强度按照GB/T 228.1-2021进行测量，焊接组件的硬度按照GB/T 4340.1-2024进行测量。
[0057]在一些实施方式中，焊接组件采用上述任一实施方式所述的焊接方法制备而成。
[0058]实施例
[0059]以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果，但本发明范围不限于这些实施例。
[0060]测试方法：
[0061]待焊接的合金板材的边部表面粗糙度、所得焊接组件的抗拉强度、硬度参考上述方法进行测试。
[0062]实施例1
[0063]1)首先，对待焊接的镍基高温合金 GH3625和Nb521铌钨合金板材进行机械加工，保证边部的光洁度、平直度，边部的表面粗糙度控制在0.3μm以内，用丙酮清洗待焊铌合金与轻质合金对接面。然后，将加工后的镍基高温合金GH3625和Nb521铌钨合金板材进行组对、装夹，并将组装好的板材置于真空室内。接着，抽真空至真空度达到1×10-3Pa，镍基高温合金和Nb521铌钨合金板材焊接间隙为0.1mm。
[0064]2)在焊接室进行焊接，调整焊接室的真空度≤10-3Pa，对镍基高温合金和Nb521铌钨合金板材进行焊接，具体焊接参数如下：
[0065]定位焊接采用表面聚焦，焊接长度与正式焊接一致，加速电压55kV，焊接速度600mm/min，电子束流与焊缝对接面对中，电子束流28mA，聚焦电流638mA;
[0066]正式焊接前先调整电子束流向Nb521偏移且束偏移量为0.25mm，焊接接头厚度3mm;
[0067]正式焊接采用表面聚焦，加速电压55kV，焊接速度600mm/min，电子束流50mA，聚焦电流638mA。
[0068]3)在真空室内对焊接后的板材进行冷却，充入经过滤的空气，冷却至室温(25℃)。对焊接后的板材进行退火工艺，退火温度为1100℃、保温时间0.5小时，随后炉冷至室温，消除焊接应力。
[0069]最终得到的焊缝宏观形貌如图1中所示，显示出镍基高温合金与Nb521成功焊接，但产生了一定飞溅。
[0070]对比例1
[0071]与实施例1的区别在于定位焊接的电子束流为39mA。
[0072]对比例2
[0073]与实施例1的区别在于正式焊接的电子束无偏移。
[0074]对比例3
[0075]与实施例1的区别在于正式焊接的电子束流为45mA。
[0076]对比例4
[0077]与实施例1的区别在于焊件的退火温度为800℃。
[0078]以上各实施例和对比例的焊接组件的抗拉强度和硬度记录在表1中。
[0079]表1
[0080]由表1中的数据可以看出，实施例1的抗拉强度和硬度均高于对比例1-4，表明本发明的焊接方法得到的焊接组件具有良好的力学性能，尽管产生了一定的飞溅，但其为可接受的工艺伴生现象，上述性能数据表明上述工艺已经实现了铌钨合金和镍基合金异种材料界面的高强度冶金结合。
[0081]对比例1与实施例1相比，由于定位焊接中采用了较高的电子束流，可能引发了局部热输入剧增进而导致高温下晶粒急速长大、晶界强度降低，表现为抗拉强度和硬度均明显降低。
[0082]实施例1和对比例2相比，由于正式焊接的电子束流向Nb521偏移0.25mm，增加了高导热侧的热输入进而平衡了两侧熔化速率，而对比例1中取消偏移后电子束居中，可能使得铌钨侧熔化不足引发了熔池不对称，造成界面剪切应力升高，表现为焊接组件的力学性能降低。
[0083]对比例3与实施例1相比，正式焊接的电子束流较低，直接导致正式焊接过程中热输入不足，可能引发熔深不足的未熔合缺陷或是扩散不充分带来的界面脆性等，造成焊接组件的抗拉强度和硬度大幅降低。
[0084]实施例1与对比例4相比将退火温度从800℃提升到了1100℃，更高的温度下可能促使脆性相溶解及强化相弥散析出，加速元素互扩散，从而强化界面结合，表现为焊接组件的抗拉强度和硬度均提高。
[0085]以下考察焊接方法中的参数对于焊接组件的抗拉强度和硬度的影响。
[0086]实施例2
[0087]与实施例1的区别在于正式焊接工艺中使用的电子束流为55mA。
[0088]最终得到的焊缝宏观形貌如图2中所示，镍基高温合金与Nb521焊接后焊缝均匀，无飞溅产生。图3中示出了实施例2中焊缝的微观形貌，图中可以看出，界面处无裂纹及气孔，Nb521至焊缝的区域形成了连续梯度过渡区。
[0089]实施例3
[0090]与实施例1的区别在于定位焊接工艺中加速电压为60kV，焊接速度1m/min，电子束流与焊缝对接面对中，电子束流22mA，聚焦电流635mA。以及步骤3)中的退火温度为1200℃。
[0091]实施例4
[0092]与实施例3的区别仅在于步骤3)中的退火温度为1400℃。
[0093]实施例5
[0094]与实施例4的区别仅在于步骤3)中的退火保温时间为1小时。
[0095]以上实施例1-5的焊接组件的抗拉强度和硬度记录在表2中。
[0096]表2
[0097]实施例1-3的数据表明适当调整定位焊接和正式焊接中的电子束流、加速电压、焊接速度、聚焦电流等工艺条件，均能获得较高的抗拉强度和硬度，实现铌钨合金与镍基合金高质量焊接。
[0098]实施例4与实施例1相比可以看出进一步提高退火温度进一步强化了界面结合，改进了抗拉强度和硬度。而实施例4与实施例5相比可见，0.5小时的保温时间相比于1小时实现了更高的抗拉强度和硬度。
[0099]尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解，根据已经公开的所有教导，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
说明书附图(3)
声明：
“镍基合金与铌钨合金的焊接方法及焊接组件” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：宁夏东方智造科技有限公司
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