[发明专利]Ni3Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对Ni₃Al基高温结构材料合金铸件热裂纹的激光熔焊修复方法，属于激光材料加工领域。

背景技术

Ni₃Al金属间化合物材料是一类新型的金属基高温结构材料，由于其晶体的有序结构以及金属键和共价键共存，因而具有一系列优异的性能，如：高温强度高，在一定温度范围内屈服强度随温度升高而提高；密度低，比刚度高；良好的高温抗氧化性能等，能够满足高温结构材料的使用需要。

但是由于Ni₃Al基合金材料在高温条件下的热塑性较差，这一特点使得合金在制造过程中的凝固性能较差，一方面在焊接过程中，材料的焊缝裂纹倾向较大，使用常规的焊接方法可焊性很差，因此主要通过铸造的方法进行加工；另一方面在铸造加工的过程中也容易产生热应力下的铸造凝固裂纹。而此类产品多用在航空、电力等行业的重要场合，对可靠性要求非常高，必须严格要求铸件无裂纹。

对于在铸造过程中出现铸造裂纹的缺陷件，现在通常采取报废的方法，以避免在零件的使用过程中出现可靠性问题所带来的危险。这使得其铸造件的成品率极低，很多大型铸件经常因为很小的裂纹而报废。所以如果能够采用补焊方法实现对铸造件的修复，则会带来很大的经济效益。使用补焊的方法对铸造裂纹进行修补，目前主要采取钎焊和熔焊两种手段，其中钎焊方法具有焊接应力和变形较小，容易获得无裂纹焊缝的特点，但是由于Ni₃Al基合金零件通常是在高温环境下使用，而钎焊所使用的钎料通常熔点较低，所得焊缝往往不能满足零件工作所需要的高温性能。熔焊修补目前主要采用传统的电弧焊、气焊方法，由于其较大的热输入量、较强的热应力热变形，以及Ni₃Al基合金凝固性能较差的缺点，使得Ni₃Al基合金焊缝裂纹倾向非常大，无法获得无裂纹焊缝，非常不适合Ni₃Al基合金的熔焊加工。

激光焊接是现代先进的材料连接方法，与传统的焊接方法相比，激光焊接具有许多优点：如激光能量密度高，焊接加热、冷却速度快、热输入量小；其焊接接头的热影响区窄，焊接应力与焊接变形小；焊缝的组织细化；有利于获得良好的焊接接头性能；易于实现过程控制，稳定性和可靠性程度高， 加工适应性强；且不需要如电子束焊接的真空条件；在焊接精度、效率、自动化等方面具有明显的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于Ni₃Al基合金铸件热裂纹修补的焊缝无裂纹熔焊方法。本方法通过对激光焊接过程中所涉及的参数，包括Ni₃Al材料合金成分、激光功率、激光波长、激光光斑大小、扫描速度、保护气体等进行控制，达到Ni₃Al基合金材料无裂纹熔焊的目的，从而实现Ni₃Al基合金铸件热裂纹的激光熔焊修复。

本发明的技术方案参见图1、图2，Ni₃Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法，其特征在于：激光熔焊修复用热源为波长相对较短的灯泵浦固体激光器或者半导体激光器，实验过程中使用Ar气作为保护气体，输送到激光与材料相互作用区的保护气体流量为15L/min，焊接过程中保护气体为侧向输送，输入方向与焊接方向相反，即正对激光扫描方向，激光功率范围400～1200W，离焦量范围+1～-5mm，扫描速度范围0.1～0.5m/min。Ni₃Al基合金铸件在激光的作用下发生熔化，液态金属在激光离开扫描位置后由于温度的降低重新凝固形成熔焊焊缝，所得焊缝无任何缺陷。上述采用激光熔焊方法修复的Ni₃Al基合金铸件中的主要合金成分为Al、Cr、Mo等，在材料的微观组织中强化相γ′的重量百分比达75％以上，另外合金中含有重量百分比小于0.5％的微量元素Hf。熔焊修复所用的激光热源为灯泵浦固体激光器，能量分布为高斯分布；热源也可以为半导体激光器，能量分布一般为平顶分布。

激光熔焊修复Ni₃Al基合金铸件时通过精确调整激光焊接参数，使焊缝的形状系数h(h＝熔宽/熔深)介于0.8～1.2之间。另外在焊接过程中还需要调整激光焊接参数，控制焊接热输入量，当被焊零件的板厚发生变化时，焊接参数需要相应进行调整。

本发明的基本原理是：