RU2752822C1 - Method for welding parts made of heat-resistant nickel-based alloys using laser radiation - Google Patents
Method for welding parts made of heat-resistant nickel-based alloys using laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2752822C1 RU2752822C1 RU2020132973A RU2020132973A RU2752822C1 RU 2752822 C1 RU2752822 C1 RU 2752822C1 RU 2020132973 A RU2020132973 A RU 2020132973A RU 2020132973 A RU2020132973 A RU 2020132973A RU 2752822 C1 RU2752822 C1 RU 2752822C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- heat
- laser beam
- parts
- welding
- Prior art date
Links
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 108
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 74
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 claims description 11
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 23
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 8
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 241000270295 Serpentes Species 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 2
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 2
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 2
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 2
- 238000005542 laser surface treatment Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 ChS57 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004040 coloring Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004021 metal welding Methods 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229910001088 rené 41 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/14—Preventing or minimising gas access, or using protective gases or vacuum during welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/354—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by melting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники, машиностроения и электроники, в частности к оптическим и сварочным технологиям, а именно: к способам предварительной обработки поверхности перед сваркой лучом лазера, и может найти применение в разных секторах машиностроения и металлургии, например, при подготовке перед диффузионной сваркой металлических заготовок для формирования посредством наноструктурирования поверхности предварительной обработкой импульсным лазерным лучом их поверхностных слоев с повышенными качеством соединения металлических деталей при диффузионной сварке, например, лопаток газовых турбин, в частности при их восстановлении.The proposed invention relates to the field of laser technology, mechanical engineering and electronics, in particular to optical and welding technologies, namely: to methods of surface pretreatment before welding with a laser beam, and can be used in various sectors of mechanical engineering and metallurgy, for example, in preparation before diffusion welding of metal blanks for the formation by means of nanostructuring of the surface by preliminary treatment with a pulsed laser beam of their surface layers with improved quality of joining metal parts during diffusion welding, for example, gas turbine blades, in particular during their restoration.
Жаропрочные сплавы на никелевой основе, как, например, ЧС57, Rene41, Rene80, Haynes282, IN738LC, IN939, IN6203DS, PWA1483X, Alloy 247 и другие, разработаны для использования в высокотемпературных энергетических установках с горячими газовыми теплоносителями и применяются в оборудовании, длительно эксплуатируемом при повышенных температурах до 1000°С. Например, рабочие лопатки газовых турбин в процессе эксплуатации подвергаются воздействию высоких температур и сильных механических нагрузок. Поэтому для подобных деталей предпочтительно применяются жаропрочные сплавы на основе никеля, которые должны дополнительно упрочняться. В частности, при длительной высокотемпературной эксплуатации для сплавов характерен твердо-растворный механизм упрочнения, обеспечивающий высокую технологическую пластичность, высокий уровень жаропрочности, хорошую свариваемость и стабильность структуры и свойств [1, 2].Nickel-based heat-resistant alloys, such as ChS57, Rene41, Rene80, Haynes282, IN738LC, IN939, IN6203DS, PWA1483X, Alloy 247 and others, are developed for use in high-temperature power plants with hot gas heat carriers and are used in equipment with long-term operation elevated temperatures up to 1000 ° C. For example, the rotor blades of gas turbines are exposed to high temperatures and high mechanical stress during operation. Therefore, for such parts, nickel-based superalloys are preferably used, which must be further hardened. In particular, during long-term high-temperature operation, the alloys are characterized by a solid-solution hardening mechanism, which provides a high technological plasticity, a high level of heat resistance, good weldability and stability of structure and properties [1, 2].
В энергетических установках, часто, используются двухслойные сварные трубы из жаропрочного никелевого сплава и жаропрочной бронзы, обладающей высокой теплопроводностью [3], причем соединяются они между собой диффузионной сваркой [4].Power plants often use two-layer welded pipes made of heat-resistant nickel alloy and heat-resistant bronze with high thermal conductivity [3], and they are joined together by diffusion welding [4].
Хотя осуществление диффузионной сварки в вакууме или в инертной газовой среде расширяет технологические возможности данного способа сварки, в настоящее время проблема повышения качества соединения и расширение допустимого температурного режима сварки [5-9] по-прежнему остается актуальной. В работах [10-12] рассмотрен механизм диффузионного процесса в металлах.Although the implementation of diffusion welding in a vacuum or in an inert gas atmosphere expands the technological capabilities of this welding method, at present the problem of improving the quality of the joint and expanding the permissible temperature regime of welding [5-9] is still urgent. In works [10-12] the mechanism of the diffusion process in metals is considered.
Улучшение механических характеристик сварных соединений при диффузионной сварке возможно за счет формирования на свариваемых поверхностях разных упорядоченных структур, в том числе микронного и субмикронного масштаба [5-7]. Для их создания могут применяться такие технологические приемы, как лазерная модификация свариваемых поверхностей заготовок. Перспективным методом формирования наноструктуры на металлической поверхности может стать прямое лазерное наноструктурирование наносекундными импульсами [13-16]. Ультрафиолетовая область спектра лазерного излучения более предпочтительна вследствие более высокого поглощения излучения металлами по сравнению с видимой и инфракрасной областями спектра. Эффективное воздействие лазерного излучения на тонкий (~1 мкм) приповерхностный слой металла позволяет получать разные микро- и наноструктуры с заданными параметрами.Improvement of the mechanical characteristics of welded joints during diffusion welding is possible due to the formation of different ordered structures on the surfaces to be welded, including micron and submicron scale [5-7]. To create them, such technological methods as laser modification of the surfaces of the workpieces being welded can be used. Direct laser nanostructuring with nanosecond pulses can become a promising method for the formation of a nanostructure on a metal surface [13-16]. The ultraviolet region of the spectrum of laser radiation is more preferable due to the higher absorption of radiation by metals compared to the visible and infrared regions of the spectrum. The effective action of laser radiation on a thin (~ 1 μm) surface layer of a metal allows one to obtain various micro- and nanostructures with specified parameters.
Для формирования наноструктурных слоев необходимы сверхскоростной нагрев поверхностного слоя и малая глубина расплавленного слоя, что позволяет охлаждать в режиме теплопроводности поверхностный слой со скоростью V °С/с, приводящей к образованию наноструктуры, т.е.To form nanostructured layers, ultrafast heating of the surface layer and a shallow depth of the molten layer are required, which makes it possible to cool the surface layer in the thermal conductivity mode at a rate of V ° C / s, leading to the formation of a nanostructure, i.e.
Vкр<V<Vmax,V cr <V <V max ,
где Vкр - критическая скорость охлаждения, приводящая к образованию субмикроструктуры (>100 нм); Vmax - скорость охлаждения, приводящая к образованию аморфных структур (стеклованию), (Vmax=106…1010 °С/с).where V cr is the critical cooling rate leading to the formation of a submicrostructure (> 100 nm); V max - cooling rate leading to the formation of amorphous structures (glass transition), (V max = 10 6 ... 10 10 ° C / s).
Наноразмерные структуры характеризуются особенностями, заключающимися в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров, где исходным материалом являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы. Поэтому, в отличие от традиционной технологии, для нанотехнологии характерен «индивидуальный» подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них наноразмерные материалы с контролируемой структурой и принципиально новыми физико-химическими свойствами - оптическими, электрическими, магнитными, коррозионностойкими, в том числе обеспечивающими улучшение механических и триботехнических свойств поверхности.Nanoscale structures are characterized by the peculiarities that the processes under consideration and the actions performed take place in the nanometer range of spatial dimensions, where the starting material is individual atoms, molecules, and molecular systems. Therefore, in contrast to traditional technology, nanotechnology is characterized by an "individual" approach, in which external control reaches individual atoms and molecules, which makes it possible to create nanoscale materials from them with a controlled structure and fundamentally new physicochemical properties - optical, electrical, magnetic, corrosion-resistant, including improving the mechanical and tribotechnical properties of the surface.
В работах [17, 18] показано, что предварительная термообработка свариваемых поверхностей лазерным излучением способствует снижению рабочей температуры процесса и величины прикладываемого давления при увеличении предела прочности сварного шва и относительного удлинения.In works [17, 18] it is shown that preliminary heat treatment of the welded surfaces with laser radiation helps to reduce the operating temperature of the process and the value of the applied pressure with an increase in the ultimate strength of the weld and relative elongation.
Вероятно, это происходит вследствие значительного увеличения коэффициента диффузии при импульсном лазерном воздействии [19, 20]. Причем, как правило, для микро- и наноструктурирования поверхности материалов применяются фемтосекундные лазеры [21-23], в то же время наносекундные лазеры в настоящее время остаются наиболее доступными, надежными и производительными источниками лазерного воздействия [24-27], в том числе обеспечивающими решение задачи микро- и наноструктурирования поверхности материалов.This is probably due to a significant increase in the diffusion coefficient under pulsed laser irradiation [19, 20]. Moreover, as a rule, femtosecond lasers are used for micro- and nanostructuring of the surface of materials [21-23], while nanosecond lasers currently remain the most accessible, reliable and efficient sources of laser action [24-27], including those providing solution of the problem of micro- and nanostructuring of the surface of materials.
Известен способ сварки материалов высокоэнергетическими лазерным источником излучения, включающий предварительное перед сваркой проплавление свариваемой зоны материалов, сварку в защитной среде гелия обеих поверхностей с одновременным добавлением в зону сварки модификаторов в виде суспензии нанопорошковых материалов, выбранных из тугоплавких соединений TiN, TiC, Y2O3 и других, плакированных никелем, хромом, титаном или иттрием, при этом концентрация нанопорошкового материала составляет менее 0,1% по массе сварочной ванны. Осуществляют сварку однородных и разнородных материалов со вставками или без них [28].A known method of welding materials with a high-energy laser source of radiation, including preliminary before welding, penetration of the welded zone of materials, welding in a protective atmosphere of helium of both surfaces with the simultaneous addition of modifiers to the welding zone in the form of a suspension of nanopowder materials selected from refractory compounds TiN, TiC, Y 2 O 3 and others, clad with nickel, chromium, titanium or yttrium, while the concentration of nanopowder material is less than 0.1% by weight of the weld pool. Welding of homogeneous and dissimilar materials with or without inserts is carried out [28].
Недостатком данного технического решения является низкая прочность соединения при сварке тонкого слоя никеля или его сплава с поверхностью однородного или разнородного (например, сварки тонкого слоя никеля или его сплава и бронзы) материала.The disadvantage of this technical solution is the low strength of the connection when welding a thin layer of nickel or its alloy with the surface of a homogeneous or dissimilar (for example, welding a thin layer of nickel or its alloy and bronze) material.
Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сути (прототипом) является способ сварки деталей из γ'-содержащих жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий нанесение послойно γ'-образующего жаропрочного сплава на никелевой основе на поверхность детали посредством лазерного излучения, формирующего зону тепла, перемещение относительно друг друга зоны тепла и зоны подачи γ'-образующего жаропрочного сплава на никелевой основе, с одной стороны, и поверхности детали, с другой стороны, по траектории, осциллирующей относительно направления сварки относительно поверхности детали, термообработку после нанесения γ'-образующего жаропрочного сплава на никелевой основе, выбор параметров сварки таким образом, что скорость охлаждения при кристаллизации материала составляет, по крайней мере, 8000 К/с при глубине повторного расплавления предыдущего слоя, обеспечивающем формирование поликристаллического сварного шва, скорость процесса составляет, по крайней мере, 250 мм/мин [29].The closest to the claimed method in its technical essence (prototype) is a method of welding parts made of γ'-containing high-temperature alloys on a nickel base, including the application of a layer-by-layer γ'-forming high-temperature alloy on a nickel base on the surface of the part by means of laser radiation, which forms a heat zone, movement relative to each other of the heat zone and the feed zone of the γ'-forming high-temperature alloy on a nickel base, on the one hand, and the surface of the part, on the other hand, along a trajectory oscillating relative to the direction of welding relative to the surface of the part, heat treatment after applying the γ'-forming heat-resistant nickel-based alloy, the choice of welding parameters in such a way that the cooling rate during crystallization of the material is at least 8000 K / s at the depth of re-melting of the previous layer, ensuring the formation of a polycrystalline weld, the process speed is at least 250 mm / min [29].
Недостатком данного технического решения является технологическая сложность процесса сварки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, заключающаяся в необходимости контролируемого нанесения разных слоев разнородных металлов.The disadvantage of this technical solution is the technological complexity of the process of welding parts made of high-temperature alloys on a nickel base, which consists in the need for controlled application of different layers of dissimilar metals.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение качества соединения свариваемых деталей при диффузионной сварке жаропрочных сплавов на никелевой основе.The new achieved technical result of the proposed invention is to improve the quality of the joint of the parts to be welded during diffusion welding of heat-resistant nickel-based alloys.
Новый технический результат достигается тем, что в способе сварки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе с использованием лазерного излучения, включающий формирование лазерным излучением зоны тепла, перемещение зоны тепла относительно поверхности детали из жаропрочного сплава на никелевой основе по заданной траектории, термообработку, охлаждение свариваемой детали, в отличие от прототипа, лазерным излучением наносекундного импульсного лазера с плотностью энергии в несколько единиц Дж/см2 осуществляют обработку поверхности деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе со скоростью охлаждения наноструктурируемой поверхности, обеспечивающей формирование на ней рельефных структур с размером менее 100 нм, при этом коэффициент перекрытия пятен лазерного луча, определяемый как отношение площади, обработанной двумя лазерными импульсами, к площади одного пятна от лазерного луча:The new technical result is achieved by the fact that in the method of welding parts made of high-temperature alloys on a nickel base using laser radiation, including the formation of a heat zone by laser radiation, movement of a heat zone relative to the surface of a part made of a heat-resistant alloy on a nickel base along a given trajectory, heat treatment, cooling of the part being welded , in contrast to the prototype, laser radiation of a nanosecond pulsed laser with an energy density of several units of J / cm 2 carries out surface treatment of parts made of high-temperature alloys on a nickel base with a cooling rate of the nanostructured surface, ensuring the formation of relief structures on it with a size of less than 100 nm, at This is the coefficient of overlap of the laser beam spots, defined as the ratio of the area treated with two laser pulses to the area of one spot from the laser beam:
k=(Si ∧ Si+1)/Si⋅100%,k = (S i ∧ S i + 1 ) / S i ⋅100%,
где Si - площадь поверхности, обработанная i-м импульсом,where S i is the surface area processed by the i-th pulse,
а после наноструктурирования сварку деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе на наноструктурированной поверхности осуществляют посредством диффузионной сварки герметичной камере воздействием давления и термообработкой свариваемых деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе в вакууме или в среде инертного газа.and after nanostructuring, welding of parts made of high-temperature nickel-based alloys on a nanostructured surface is carried out by diffusion welding of a sealed chamber under pressure and heat treatment of parts to be welded from high-temperature nickel-based alloys in vacuum or in an inert gas environment.
В качестве источника излучения могут использовать твердотельный Nd:YaG-лазер, или эксимерный ArF-лазер, или волноводный лазер, или другой лазерный источник, имеющий аналогичные временные и мощностные характеристики.A solid-state Nd: YaG laser, or an excimer ArF laser, or a waveguide laser, or another laser source with similar time and power characteristics can be used as a radiation source.
Перед обработкой лазерным излучением поверхность деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе подвергают химико-механической обработке до получения исходной шероховатости поверхности на участке, сопоставимом с площадью пятна от лазерного луча, порядка 10-15 нм.Before processing with laser radiation, the surface of parts made of high-temperature alloys on a nickel base is subjected to chemical-mechanical treatment until the initial surface roughness is obtained in an area comparable to the spot area from the laser beam, of the order of 10-15 nm.
Для защиты от окисления поверхности образцы деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе после обработки лазерным излучением до помещения их в сварочный контейнер могут хранить в сосуде, заполненном бензином, или жидкостью, имеющей аналогичные пассивирующие свойства.To protect against surface oxidation, samples of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base, after laser treatment, before being placed in a welding container, can be stored in a vessel filled with gasoline or a liquid having similar passivating properties.
Обработку поверхности детали из жаропрочных сплавов на никелевой основе лазерным лучом могут осуществлять в режиме сканирующего пятна от лазерного луча посредством его перемещения по поверхности детали из жаропрочных сплавов на никелевой основе, при этом траекторию перемещения зоны тепла от лазерного луча относительно поверхности детали из жаропрочного сплава на никелевой основе задают с возможностью изменения расстояния между горизонтальными строками и площади пятна от лазерного луча.The surface treatment of a part made of high-temperature alloys on a nickel base with a laser beam can be carried out in the mode of a scanning spot from a laser beam by moving it along the surface of a part made of high-temperature alloys on a nickel base, while the trajectory of the movement of the heat zone from the laser beam relative to the surface of a part made of a high-temperature alloy on nickel the base is set with the possibility of changing the distance between the horizontal lines and the area of the spot from the laser beam.
Наноструктурирование могут осуществлять, по крайней мере, одной из поверхностей каждой из свариваемых деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе.Nanostructuring can be carried out by at least one of the surfaces of each of the parts to be welded from a heat-resistant nickel-based alloy.
Перемещение лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности могут осуществлять управляемым, заранее заданным образом.The movement of the laser beam relative to the surface to be treated can be carried out in a controlled, predetermined manner.
Способ сварки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе реализуют следующим образом.The method of welding parts made of high-temperature alloys on a nickel base is implemented as follows.
Деталь из жаропрочного сплава на никелевой основе, например, ЧС57, устанавливают на трехкоординатном предметном столике, в состав которого входят два линейных транслятора, например, 8МТ180 и один 8МТ173, управляемых контроллером, например, 8SMC1-USBhF (Standa Ltd, Lithuania). Управление лазером и контроллером осуществляют персональным компьютером.A part made of a heat-resistant nickel-based alloy, for example, ChS57, is installed on a three-dimensional object stage, which includes two linear translators, for example, 8MT180 and one 8MT173, controlled by a controller, for example, 8SMC1-USBhF (Standa Ltd, Lithuania). The laser and the controller are controlled by a personal computer.
В качестве источника лазерного излучения могут использовать наносекундный импульсный твердотельный Nd:YaG-лазер, генерирующий третью гармонику с длиной волны 355 нм, длительностью импульса 10 не, энергией в импульсе - до 8 мДж, частотой следования импульсов - до 100 Гц, диаметром лазерного пучка - 3 мм, расходимостью - 1-2 мрад, например, HR2731 (Opotec Inc., USA), или эксимерный ArF-лазер, например, CL5200 (ООО «Оптосистемы», РФ), или волноводный лазер, например, YLPN-0.5-25-10-М (LPG Photonics, USA), отличающиеся доступностью и простотой эксплуатации, а также достаточно простой системой фокусировки лазерного луча. В качестве источника излучения могут быть использованы также другие лазерные источники, имеющие аналогичные вышеописанные временные и мощностные характеристики.As a source of laser radiation, a nanosecond pulsed solid-state Nd: YaG laser can be used, generating the third harmonic with a wavelength of 355 nm, a pulse duration of 10 ns, an energy per pulse - up to 8 mJ, a pulse repetition rate - up to 100 Hz, a laser beam diameter - 3 mm, with a divergence of 1-2 mrad, for example, HR2731 (Opotec Inc., USA), or an excimer ArF laser, for example, CL5200 (LLC Optosystems, RF), or a waveguide laser, for example, YLPN-0.5-25 -10-M (LPG Photonics, USA), distinguished by their availability and ease of use, as well as a fairly simple system for focusing the laser beam. Other laser sources with similar temporal and power characteristics described above can also be used as a radiation source.
Обработка лазерным излучением поверхности деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе осуществляют в режиме сканирующего пятна от лазерного луча - лазерный луч перемещают по поверхности детали из жаропрочных сплавов на никелевой основе по растровой траектории (типа змейка) с расстоянием между горизонтальными строками порядка 30 мкм (частота следования импульсов лазерного излучения определяет производительность процесса (например, f=100 Гц). Скорость сканирования пятна от лазерного луча зависит от возможностей используемого наносекундного импульсного лазера и, как следствие, величину f можно варьировать. Длину траектории (змейки) определяют размерами детали, например, 4 мм.Laser treatment of the surface of parts made of high-temperature alloy on a nickel base is carried out in the mode of a scanning spot from a laser beam - the laser beam is moved along the surface of a part made of high-temperature alloys on a nickel base along a raster trajectory (like a snake) with a distance between horizontal lines of about 30 μm (repetition rate pulses of laser radiation determines the productivity of the process (for example, f = 100 Hz). The scanning speed of the spot from the laser beam depends on the capabilities of the used nanosecond pulsed laser and, as a consequence, the value of f can be varied. The length of the trajectory (snakes) is determined by the dimensions of the part, for example, 4 mm.
Коэффициент перекрытия лазерных пятен, определяемый как отношение площади, обработанной двумя лазерными импульсами, к площади одного пятна от лазерного луча:Coefficient of overlap of laser spots, defined as the ratio of the area treated with two laser pulses to the area of one spot from the laser beam:
где Si - площадь поверхности, обработанная i-м импульсом (в данном примере площадь поверхности, обработанная i-м импульсом, превышала 99%).where S i is the surface area treated by the i-th pulse (in this example, the surface area treated by the i-th pulse exceeded 99%).
Перед обработкой лазерным излучением поверхность деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе подвергают химико-механической обработке до получения исходной шероховатости поверхности на участке, сопоставимом с площадью пятна от лазерного луча на свариваемой поверхности, порядка 10-15 нм.Before processing with laser radiation, the surface of parts made of high-temperature alloys on a nickel base is subjected to chemical-mechanical treatment until the initial surface roughness is obtained in an area comparable to the area of the laser beam spot on the surface to be welded, of the order of 10-15 nm.
При необходимости, в зависимости от мощности лазера можно увеличивать (уменьшать) площадь пятна от лазерного луча и расстояние между строками и, как следствие, площадь обрабатываемой поверхности в зависимости от габаритов свариваемой детали.If necessary, depending on the laser power, it is possible to increase (decrease) the area of the spot from the laser beam and the distance between the lines and, as a result, the area of the processed surface, depending on the dimensions of the workpiece being welded.
Морфологию поверхности деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе до и после обработки лазерным излучением исследуют с помощью оптического профилометра Zygo NewView 7300 и растрового электронного микроскопа JEOL JSM 6610LV, или аналогичных приборов. Специальная приставка к микроскопу позволяет исследовать элементный состав поверхностного слоя деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе до и после обработки лазерным излучением.The surface morphology of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base before and after laser treatment is examined using a Zygo NewView 7300 optical profilometer and a JEOL JSM 6610LV scanning electron microscope, or similar devices. A special attachment to the microscope allows you to study the elemental composition of the surface layer of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base before and after laser treatment.
Режим сканирующего пятна от лазерного луча используют для обработки поверхности деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе (режим (змейка) с шагом, например, вдоль оси х - 10 мкм и шагом вдоль оси у - 30 мкм, скорость сканирования - 1 мм/с), после которой производят диффузионную сварку деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе в условиях горячего изостатического прессования с последующим проведением механических испытаний (определение предела прочности и относительного удлинения сварных соединений) сварных соединений деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе.The scanning spot mode from the laser beam is used for surface treatment of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base (mode (snake) with a step, for example, along the x-axis - 10 μm and a step along the y-axis - 30 μm, scanning speed - 1 mm / s) , after which diffusion welding of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base is carried out under hot isostatic pressing, followed by mechanical tests (determination of the ultimate strength and relative elongation of welded joints) of welded joints of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base.
Для определения предела прочности и относительного удлинения сварных диффузионных соединений используют образцы деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе, имеющие форму цилиндров диаметром 22 мм и длиной 15 мм. Для защиты от окисления поверхности все подготовленные к механическим испытаниям образцы деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе как обработанные механически (для сравнения), так и после обработки лазерным излучением до помещения их в сварочный контейнер хранят в сосуде, заполненном бензином, или жидкостью, имеющей аналогичные пассивирующие свойства.To determine the ultimate strength and relative elongation of welded diffusion joints, samples of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base, having the shape of cylinders with a diameter of 22 mm and a length of 15 mm, are used. To protect against surface oxidation, all samples of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base, prepared for mechanical testing, both mechanically processed (for comparison) and after treatment with laser radiation, before being placed in a welding container, are stored in a vessel filled with gasoline or a liquid having similar passivating properties.
На фиг. 1 приведены результаты обработки поверхности жаропрочного сплава ЧС57 тридцатью импульсами наносекундного импульсно-периодического Nd:YaG лазера при плотности энергии приблизительно 2,5 Дж/см2 с частотой 10 Гц в режиме неподвижного пятна от лазерного луча. Данный режим обработки лазерным излучением характерен сочетанием высокой импульсной плотности мощности обработки (108-109 Вт/см2) и средней мощности (менее 1 Вт). Это обеспечивает высокоградиентный температурный режим нагрева поверхности образца детали из жаропрочного сплава на никелевой основе при сохранении практически комнатной температуры объема соответствующего образца, что исключает термические изменения структуры в объеме соответствующего образца.FIG. 1 shows the results of surface treatment of the heat-resistant alloy ChS57 with thirty pulses of a nanosecond repetitively pulsed Nd: YaG laser at an energy density of approximately 2.5 J / cm 2 with a frequency of 10 Hz in the mode of a stationary spot from the laser beam. This mode of laser radiation processing is characterized by a combination of high pulsed processing power density (10 8 -10 9 W / cm 2 ) and average power (less than 1 W). This provides a high-gradient temperature regime for heating the surface of a sample of a part made of a heat-resistant alloy on a nickel base while maintaining almost room temperature of the volume of the corresponding sample, which excludes thermal changes in the structure in the volume of the corresponding sample.
Температуру лазерного нагрева в импульсном режиме лазерного излучения на поверхности образца детали из жаропрочного сплава на никелевой основе в зависимости от плотности мощности q0 можно оценить из выражения [30]:The temperature of laser heating in a pulsed mode of laser radiation on the surface of a sample of a part made of a heat-resistant alloy on a nickel base, depending on the power density q 0, can be estimated from the expression [30]:
где q0=P/S; Р=Е/τ, где Е - энергия в импульсе, τ - длительность импульса; Tin - начальная температура материала; а - температуропроводность материала; k - теплопроводность материала; R - коэффициент отражения.where q 0 = P / S; P = E / τ, where E is the pulse energy, τ is the pulse duration; T in is the initial temperature of the material; a - thermal diffusivity of the material; k is the thermal conductivity of the material; R is the reflection coefficient.
При q0=1 Дж/см2, R=0,48, τ=10 нс, k=75 Вт/(м К), а=1,54⋅10-5 м2/с оценки температуры лазерного нагрева поверхности по формуле (2) дают величину 3360 К. Для 2,5 Дж/см2 эта величина достигает 7700 К. Учитывая, что температура плавления жаропрочного сплава ЧС57 составляет 1673 К [2], при указанных параметрах достигается режим абляции.At q 0 = 1 J / cm 2 , R = 0.48, τ = 10 ns, k = 75 W / (m K), a = 1.54⋅10 -5 m 2 / s, estimates of the temperature of laser heating of the surface from formula (2) give a value of 3360 K. For 2.5 J / cm 2 this value reaches 7700 K. Taking into account that the melting temperature of the heat-resistant alloy ChS57 is 1673 K [2], the ablation regime is achieved with the indicated parameters.
Порог оптического пробоя на поверхности сплава ЧС57 составляет приблизительно 1 Дж/см2 (λ=0,355 мкм, τ=10 нс). При допороговых значениях (0,25-1 Дж/см2) плотности мощности излучения в лазерном импульсе на поверхности жаропрочного сплава ЧС57 плазменный факел и кратерообразование не наблюдают, однако следы обработки лазерным излучением присутствуют. При обработке 30-ю лазерными импульсами с плотностью мощности излучения 0,55 Дж/см2 на поверхность сплава ЧС57 металл в зоне обработки лазерным излучением слегка вспучивается: возникает необратимое поднятие материала поверхности жаропрочного сплава ЧС57 (фиг. 2). При этом визуализируются границы зерен, в некоторых зернах появляются следы кристаллографического скольжения. Поднятие поверхностного слоя с появлением следов высокотемпературной пластической деформации в виде проскальзывания по границам зерен и кристаллографического скольжения происходит в допороговом режиме при плотности энергии в импульсе лазерного излучения больше 0,25 Дж/см2.The optical breakdown threshold on the surface of the ChS57 alloy is approximately 1 J / cm 2 (λ = 0.355 μm, τ = 10 ns). At subthreshold values (0.25-1 J / cm 2 ) of the radiation power density in the laser pulse on the surface of the heat-resistant alloy ChS57, the plasma torch and crater formation are not observed, however, traces of laser treatment are present. When processing 30 laser pulses with a radiation power density of 0.55 J / cm 2 on the surface of the ChS57 alloy, the metal in the laser treatment zone slightly swells: an irreversible rise of the surface material of the high-temperature alloy ChS57 occurs (Fig. 2). In this case, grain boundaries are visualized, and traces of crystallographic sliding appear in some grains. The rise of the surface layer with the appearance of traces of high-temperature plastic deformation in the form of sliding along the grain boundaries and crystallographic sliding occurs in the subthreshold mode when the energy density in the laser pulse is more than 0.25 J / cm 2 .
На фиг. 3 приведено изображение фрагмента полосы на поверхности жаропрочного сплава ЧС57, возникшей после обработке сканирующим лазерным лучом (траектория типа змейка). Параметры излучения: плотность энергии в импульсе приблизительно 0,2 Дж/см2, частота повторения импульсов лазерного излучения f=100 Гц, скорость перемещения лазерного луча по поверхности 1 мм/с. Отчетливо видно, что наряду с очисткой обработанной поверхности от загрязнений и оксидов в этой области исчезают мелкие царапины.FIG. 3 shows an image of a fragment of a strip on the surface of the heat-resistant alloy ChS57, which appeared after processing with a scanning laser beam (a snake-type trajectory). Radiation parameters: the energy density in the pulse is approximately 0.2 J / cm 2 , the pulse repetition rate of laser radiation is f = 100 Hz, the speed of the laser beam movement over the surface is 1 mm / s. It is clearly seen that along with cleaning the treated surface from dirt and oxides, small scratches disappear in this area.
С помощью специальной приставки к растровому электронному микроскопу исследуют элементный состав жаропрочного сплава ЧС57 до и после обработки лазерным излучением. Измерения показывают, что элементный состав в центральной зоне пятна от лазерного луча с точностью используемого метода практически не изменяется. Однако, в элементном составе на поверхности полос (фиг. 3), полученных при перемещении лазерного луча по образцу детали из жаропрочного сплава ЧС57 со скоростью 1 мм/с при допороговой плотности энергии в импульсе (0,01-0,2 Дж/см2) фиксируют наличие 3-4% кислорода, при этом пропорции элементного состава жаропрочного сплава ЧС57 не меняются. Это наблюдают при обработке лазерным излучением на воздухе, поэтому перед проведением процесса диффузионной сварки обработку лазерным излучением проводят в вакууме, либо в среде инертного газа.With the help of a special attachment to a scanning electron microscope, the elemental composition of the heat-resistant alloy ChS57 is examined before and after treatment with laser radiation. Measurements show that the elemental composition in the central zone of the spot from the laser beam does not practically change with the accuracy of the method used. However, in the elemental composition on the surface of the strips (Fig. 3) obtained by moving a laser beam over a sample of a part made of a heat-resistant alloy ChS57 at a speed of 1 mm / s at a subthreshold energy density in a pulse (0.01-0.2 J / cm 2 ) fix the presence of 3-4% oxygen, while the proportions of the elemental composition of the heat-resistant alloy ChS57 do not change. This is observed when processing with laser radiation in air, therefore, before carrying out the process of diffusion welding, processing with laser radiation is carried out in a vacuum or in an inert gas environment.
Режим сканирующего пятна от лазерного луча используют для обработки лазерным излучением образцов деталей из жаропрочного сплава ЧС57, которые потом соединяют посредством диффузионной сварки в условиях горячего изостатического прессования. Используемая для диффузионной сварки сборка (при реализации заявляемого способа) состоит из трех групп образцов деталей из жаропрочного сплава ЧС57: по два образца в каждой группе. Образцы первой группы сканируют лазерным лучом Nd:YAG лазера по поверхности при плотности энергии 2 Дж/см2; образцы второй группы - при 3 Дж/см2. Два образца третьей группы не подвергают обработки лазерным излучением (они являются контрольными). После лазерной обработки три группы образцов деталей из жаропрочного сплава ЧС57 укладывают в тонкостенный сварочный контейнер и заваривают его электронным лучом в вакууме. Затем проверяют герметичность шва сварочного контейнера и помещают его в сварную камеру для горячего изостатического прессования.The mode of the scanning spot from the laser beam is used for processing with laser radiation of samples of parts made of the heat-resistant alloy ChS57, which are then joined by means of diffusion welding under conditions of hot isostatic pressing. The assembly used for diffusion welding (when implementing the proposed method) consists of three groups of samples of parts made of the heat-resistant alloy ChS57: two samples in each group. Samples of the first group are scanned with a Nd: YAG laser beam over the surface at an energy density of 2 J / cm 2 ; samples of the second group - at 3 J / cm 2 . Two samples of the third group are not subjected to laser treatment (they are control). After laser processing, three groups of samples of parts made of the heat-resistant alloy ChS57 are placed in a thin-walled welding container and welded with an electron beam in a vacuum. Then check the tightness of the seam of the welding container and place it in the welded chamber for hot isostatic pressing.
Диффузионную сварку нескольких образцов деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе могут осуществлять одновременно и при одинаковых условиях (в данном примере осуществляют сварку шести образцов). Сварную камеру заполняют аргоном при заданных значениях давления и температуры, которые поддерживают в течение установленного времени сварки. После диффузионной сварки проводят испытания сварных соединений на статическое растяжение при комнатной температуре.Diffusion welding of several samples of parts made of a heat-resistant alloy on a nickel base can be carried out simultaneously and under the same conditions (in this example, six samples are welded). The welded chamber is filled with argon at predetermined pressure and temperature values, which are maintained for a predetermined welding time. After diffusion welding, static tensile tests of welded joints are carried out at room temperature.
В таблице 1 представлены результаты измерения предела прочности и относительного удлинения для соединений, полученных диффузионной сваркой в условиях горячего изостатического прессования со следующими параметрами: температура Т=1160°С, давление Р=160 МПа, время сварки - несколько часов.Table 1 shows the results of measuring the ultimate strength and elongation for joints obtained by diffusion welding under hot isostatic pressing with the following parameters: temperature T = 1160 ° C, pressure P = 160 MPa, welding time - several hours.
У образцов деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе, прошедших лазерную термообработку, происходит заметное по сравнению с контрольными образцами деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе увеличение предела прочности (на 12% при плотности энергии 3 Дж/см2) и относительного удлинения соответствующих образцов с 42% до 51%, что соответствует приросту данного показателя на 21%.Samples parts of a superalloy based on nickel, past a laser heat treatment, there is notable compared with control samples of parts of a heat resistant nickel-based alloy increase in tensile strength (12% at an energy density of 3 J / cm 2) and elongation respective samples 42% to 51%, which corresponds to an increase of this indicator by 21%.
Предварительная обработка свариваемых поверхностей сканирующим пучком наносекундных лазерных импульсов перед диффузионной сваркой в условиях горячего изостатического прессования обеспечивает улучшение свойств сварного шва: увеличение его прочности и относительного удлинения.Pre-treatment of the surfaces to be welded with a scanning beam of nanosecond laser pulses before diffusion welding under conditions of hot isostatic pressing provides an improvement in the properties of the weld: an increase in its strength and relative elongation.
Наиболее вероятной причиной улучшения свойств сварного соединения из жаропрочного сплава ЧС57 является развитие низкотемпературной сверхпластичности, вызванное уменьшением среднего размера зерен [31], сформировавшихся в процессе обработки лазерным излучением поверхности жаропрочного сплава ЧС57. Вследствие малой глубины проникновения лазерного излучения в поверхностный слой жаропрочного сплава ЧС57 происходит нагрев тонкого приповерхностного слоя с последующим быстрым отводом тепла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию поверхностных наноструктур с размером менее 100 нм, что существенным образом влияет на кинетику формирования твердофазного соединения, ускоряя (захлопывание) микропор. Это улучшает механические свойства сварного шва деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе и позволяет уменьшить температуру процесса диффузионной сварки.The most probable reason for the improvement of the properties of the welded joint made of the heat-resistant alloy ChS57 is the development of low-temperature superplasticity caused by a decrease in the average grain size [31] formed during the laser treatment of the surface of the heat-resistant alloy ChS57. Due to the small depth of penetration of laser radiation into the surface layer of the heat-resistant alloy ChS57, a thin surface layer is heated, followed by rapid heat removal. A high cooling rate leads to the formation of surface nanostructures with a size of less than 100 nm, which significantly affects the kinetics of the formation of a solid-phase compound, accelerating (collapse) of micropores. This improves the mechanical properties of the weld seam of the nickel-base heat-resistant alloy and allows the temperature of the diffusion welding process to be reduced.
На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предполагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.Based on the foregoing, the new achieved technical result of the proposed invention is provided by the following technical advantages in comparison with the prototype.
Достигается повышение качества соединения свариваемых деталей при диффузионной сварке жаропрочных сплавов на никелевой основе - повышение не менее чем на 12-15% предела прочности сварного соединения за счет развития низкотемпературной сверхпластичности, вызванной уменьшением среднего размера зерен, сформировавшихся в процессе импульсной обработки лазерным излучением поверхности жаропрочного сплава ЧС57, в том числе за счет относительного удлинения соответствующих образцов деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе с 42% до 51%, что соответствует приросту данного показателя на 21%. Данная обработка лазерным излучением обеспечивает изменение исходных физико-химических свойств поверхности металлической заготовки - адгезионных, оптических, электрических, магнитных, коррозионностойких, в том числе обеспечивающих улучшение механических и триботехнических свойств поверхности, за счет формирования импульсным лазерным лучом поверхностных наноструктур с размером менее 100 нм, что существенным образом влияет на кинетику формирования твердофазного соединения, ускоряя (захлопывание) микропор.EFFECT: improving the quality of the joint of the parts to be welded during diffusion welding of high-temperature alloys on a nickel base - an increase of at least 12-15% in the tensile strength of the welded joint due to the development of low-temperature superplasticity caused by a decrease in the average grain size formed in the process of pulsed laser treatment of the surface of the high-temperature alloy ChS57, including due to the relative elongation of the corresponding samples of parts made of heat-resistant alloy on a nickel base from 42% to 51%, which corresponds to an increase in this indicator by 21%. This treatment with laser radiation provides a change in the initial physicochemical properties of the surface of a metal workpiece - adhesive, optical, electrical, magnetic, corrosion-resistant, including those that improve the mechanical and tribotechnical properties of the surface, due to the formation of surface nanostructures with a pulsed laser beam with a size of less than 100 nm, which significantly affects the kinetics of the formation of a solid-phase compound, accelerating (collapse) of micropores.
В настоящее время в институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого способа сварки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, и на их основе выпущена технологическая документация на предлагаемый способ сварки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе.At present, the Institute of Electrophysics and Electric Power Engineering of the Russian Academy of Sciences has tested the proposed method of welding parts made of high-temperature alloys on a nickel base, and on their basis, technological documentation has been issued for the proposed method of welding parts made of high-temperature alloys on a nickel base.
Используемые источникиSources used
1. Патент RU 2543587, 2015, МКИ С22С 19/05.1. Patent RU 2543587, 2015, MKI S22S 19/05.
2. Каштанов А.Л., Петров С.Н., Кудрявцев А.С., Охапкин К.А., Груздев Д.А. Анализ причин образования трещин при горячей пластической деформации сплава марки ХН55МВЦ-ИД // Вопросы материаловедения. 2015. №4 (84). С. 17-23.2. Kashtanov A.L., Petrov S.N., Kudryavtsev A.S., Okhapkin K.A., Gruzdev D.A. Analysis of the causes of crack formation during hot plastic deformation of the KhN55MVTs-ID alloy // Problems of Materials Science. 2015. No. 4 (84). S. 17-23.
3. Николаев А.К., Костин С.А. Медь и жаропрочные медные сплавы: энцикл. терминолог. слов.: фундаментальный справ. М.: ДПК Пресс, 2012. 715 с.3. Nikolaev A.K., Kostin S.A. Copper and heat-resistant copper alloys: encyclopedia. terminologist. words .: fundamental ref. Moscow: DPK Press, 2012.715 p.
4. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976. 312 с.4. Kazakov N.F. Diffusion welding of materials. Moscow: Mashinostroenie, 1976.312 p.
5. Лутфуллин Р.Я., Мухаметрахимов М.Х. Твердофазное соединение образцов наноструктурированного титанового сплава ВТ6 при пониженных температурах. Перспективные материалы. 2009. Спецвыпуск №7. С. 189-193.5. Lutfullin R.Ya., Mukhametrakhimov M.Kh. Solid-phase connection of samples of nanostructured titanium alloy VT6 at low temperatures. Advanced materials. 2009. Special issue №7. S. 189-193.
6. Хазгалиев Р.Г., Мухаметрахимов М.Х., Лутфуллин Р.Я., Мулюков P.P. Твердофазное соединение титанового сплава с нержавеющей сталью через наноструктурированную прослойку из никелевого сплава. Перспективные материалы, 2011. №12. С. 528-534.6. Khazgaliev R.G., Mukhametrakhimov M.Kh., Lutfullin R.Ya., Mulyukov P.P. Solid-phase connection of titanium alloy with stainless steel through a nanostructured nickel alloy interlayer. Perspective materials, 2011. No. 12. S. 528-534.
7. Хазгалиев Р.Г., Имаев М.Ф., Мулюков P.P., Сафин Ф.Ф. Модифицирование поверхности прослойки никеля для делокализации деформации при сварке давлением образцов титанового сплава и нержавеющей стали. Письма о материалах. 2015. Т. 5. №2. С.133-137.7. Khazgaliev R.G., Imaev M.F., Mulyukov R.P., Safin F.F. Modification of the surface of a nickel interlayer for delocalization of deformation during pressure welding of titanium alloy and stainless steel specimens. Material letters. 2015. T. 5. No. 2. Pp. 133-137.
8. Lutfullin R.Ya., Mukhametrakhimov M.Kh. Solid-phase joint formation in Ti-6Al-4V alloy under conditions of low temperature superplasticity. Rev.Adv.Mater.Sci., 2010, v. 25, no. 2, pp. 142-147.8. Lutfullin R. Ya., Mukhametrakhimov M.Kh. Solid-phase joint formation in Ti-6Al-4V alloy under conditions of low temperature superplasticity. Rev.Adv.Mater.Sci., 2010, v. 25, no. 2, pp. 142-147.
9. Люшинский А.В. Соединение деталей из жаропрочных сплавов диффузионной сваркой. Часть 1. Сварочное производство. 2016. №7. С. 17-22.9. Lyushinsky A.V. Joining of parts made of heat-resistant alloys by diffusion welding. Part 1. Welding production. 2016. No. 7. S. 17-22.
10. Молохина Л.А., Филин С.А. Анализ и расчет параметров диффузии в двухкомпонентных многофазных системах при «ограниченном» поступлении компонента с меньшей температурой плавления // Конденсированные среды и межфазные границы. 2018. Т. 20. №4. С. 618-629.10. Molokhina L.A., Filin S.A. Analysis and calculation of diffusion parameters in two-component multiphase systems with a "limited" supply of a component with a lower melting point // Condensed media and interphase boundaries. 2018.Vol. 20.No.4. S. 618-629.
11. Молохина Л.А., Рогалин В.Е., Филин С.А., Каплунов И.А. Зависимость роста фаз двухкомпонентных многофазных систем от параметров диффузии // Журнал физической химии. 2017. Т. 91. №12. С. 2014-2022. DOI: 10.7868/S004445371712021411. Molokhina L.A., Rogalin V.E., Filin S.A., Kaplunov I.A. Phase growth dependence of two-component multiphase systems on diffusion parameters // Journal of Physical Chemistry. 2017. T. 91. No. 12. S. 2014-2022. DOI: 10.7868 / S0044453717120214
12. Молохина Л.А., Филин С.А. Анализ влияния температурной зависимости параметров диффузии на характер роста слоев в двухкомпонентной многофазной системе // Конденсированные среды и межфазные границы. 2019. Т. 21. №3. С. 419-431.12. Molokhina L.A., Filin S.A. Analysis of the influence of the temperature dependence of diffusion parameters on the character of layer growth in a two-component multiphase system // Condensed media and interphase boundaries. 2019.Vol. 21.No. 3. S. 419-431.
13. Патент RU 2027570, 1995, МКИ B23K 26/18.13. Patent RU 2027570, 1995, MKI B23K 26/18.
14. Токарев В.Н., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Возможность прямого лазерного наноструктурирования поверхности без оплавления материала. ФХОМ. 2008. №4. С. 18-25.14. Tokarev V.N., Khomich V.Yu., Shmakov V.A., Yamshchikov V.A. Possibility of direct laser nanostructuring of the surface without material melting. FHOM. 2008. No. 4. S. 18-25.
15. Токарев В.Н., Хомич, В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Формирование наноструктур при лазерном плавлении поверхности твердых тел. Доклады Академии наук. 2008. Т. 419. №6. С. 754-758.15. Tokarev V.N., Khomich, V.Yu., Shmakov V.A., Yamshchikov V.A. Formation of nanostructures by laser melting of the surface of solids. Reports of the Academy of Sciences. 2008. T. 419. No. 6. S. 754-758.
16. Хомич В.Ю., Шмаков В.А. Механизмы и модели прямого лазерного наноструктурирования материалов. УФН. 2015. Т. 185. №5. С.489-499.16. Khomich V.Yu., Shmakov V.A. Mechanisms and models of direct laser nanostructuring of materials. UFN. 2015. T. 185. No. 5. S.489-499.
17. Yu.V. Khomich, V.A. Yamshchikov. The effect of preliminary laser surface treatment on the mechanical properties of a solid-phase compound of an iron-nickel alloy in diffusion welding. Chapter 6. Advanced Materials. Proceedings of the International conference on Physics and Mechanics of New Materials and Their ApplicatioHC (PHENMA 2019). P. 61-71.17. Yu.V. Khomich, V.A. Yamshchikov. The effect of preliminary laser surface treatment on the mechanical properties of a solid-phase compound of an iron-nickel alloy in diffusion welding. Chapter 6. Advanced Materials. Proceedings of the International conference on Physics and Mechanics of New Materials and Their ApplicatioHC (PHENMA 2019). P. 61-71.
18. Вашуков Ю.А., Демичев С.Ф., Еленев В.Д., Малинский Т.В., Миколуцкий СИ., Хомич Ю.В., Ямщиков В.А. Лазерная обработка поверхности металлических сплавов для диффузионной сварки. Прикладная физика. 2019. №1. С. 82-87.18. Vashukov Yu.A., Demichev S.F., Yelenev V.D., Malinsky T.V., Mikolutsky S.V., Khomich Yu.V., Yamshchikov V.A. Laser surface treatment of metal alloys for diffusion welding. Applied Physics. 2019. No. 1. S. 82-87.
19. Ровинский Р.Е., Рогалин В.Е., Розенберг В.М., Теплицкий М.Д. Изменение структуры сплава медь-хром, облученного импульсом СО2-лазера // Физ. и хим. обраб. матер. 1980. №3. С. 7-11.19. Rovinsky R.E., Rogalin V.E., Rosenberg V.M., Teplitsky M.D. Changes in the structure of a copper-chromium alloy irradiated by a CO 2 laser pulse, Phys. and chem. processing mater. 1980. No. 3. S. 7-11.
20. Гуревич М.Е., Лариков Л.Н., Мазанко В.Ф., Погорелов А.Е., Фальченко В.М. Влияние многократного лазерного воздействия на массоперенос в железе // Металлофизика. 1978. В. 73. С. 80-83.20. Gurevich M.E., Larikov L.N., Mazanko V.F., Pogorelov A.E., Falchenko V.M. Influence of multiple laser action on mass transfer in iron // Metallofizika. 1978.V. 73. S. 80-83.
21. Le Harzic R., Dorr D., Sauer D., Neumeier M., Epple M., Zimmermann H., Stracke F. Formation of periodic nanoripples on silicon and germanium induced by femtosecond laser pulses. Physics Procedia. 2011. V. 12. P. 29-36.21. Le Harzic R., Dorr D., Sauer D., Neumeier M., Epple M., Zimmermann H., Stracke F. Formation of periodic nanoripples on silicon and germanium induced by femtosecond laser pulses. Physics Procedia. 2011. V. 12. P. 29-36.
22. Ashitkov S.I., Romashevskii S.A., Komarov P.S., Burmistrov A.A., Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Agranat M.B. Formation of nanostructures under femtosecond laser ablation of metals // Quantum Electronics. 2015. V. 45 (6). P. 547-550.22. Ashitkov S.I., Romashevskii S.A., Komarov P.S., Burmistrov A.A., Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Agranat M.B. Formation of nanostructures under femtosecond laser ablation of metals // Quantum Electronics. 2015. V. 45 (6). P. 547-550.
23. Струлева E.B., Комаров П.С, Ашитков С.И. Термомеханическая абляция титана при фемтосекундном лазерном воздействии // ТВТ. 2019. Т. 57:5. С. 689-693.23. Struleva E.B., Komarov PS, Ashitkov S.I. Thermomechanical ablation of titanium under femtosecond laser exposure // TVT. 2019.Vol. 57: 5. S. 689-693.
24. Ganin D.V., Mikolutskiy S.I., Tokarev V.N., Khomich V.Yu., Shmakov V.A., Yamshchikov V.A. Formation of micron and submicron structures on a zirconium oxide surface exposed to nanosecond laser radiation // Quantum Electronics. 2014. Vol. 44(4). P.317-321.24. Ganin D.V., Mikolutskiy S.I., Tokarev V.N., Khomich V. Yu., Shmakov V.A., Yamshchikov V.A. Formation of micron and submicron structures on a zirconium oxide surface exposed to nanosecond laser radiation // Quantum Electronics. 2014. Vol. 44 (4). P.317-321.
25. Luo F., Ong W., Guan Y., Li F., Sun S., Lim GC, Hong M. Study of micro/nanostructures formed by a. nanosecond laser in gaseous environments for stainless steel surface coloring // Applied Surface Science. 2015. V. 328. P. 405-409.25. Luo F., Ong W., Guan Y., Li F., Sun S., Lim GC, Hong M. Study of micro / nanostructures formed by a. nanosecond laser in gaseous environments for stainless steel surface coloring // Applied Surface Science. 2015. V. 328. P. 405-409.
26. Zheleznov Yu.A., MaliHckiy T.V., Khomich Yu.V., Yamshchikov V.A. The effect of a scanning nanosecond laser pulse beam on the microtopography of ceramic AL203 coatings. Inorganic materials: Applied research. 2018. V. 9. No. 3. P. 460-463.26. Zheleznov Yu.A., MaliHckiy T.V., Khomich Yu.V., Yamshchikov V.A. The effect of a scanning nanosecond laser pulse beam on the microtopography of ceramic AL203 coatings. Inorganic materials: Applied research. 2018. V. 9. No. 3.P. 460-463.
27. Хомич В.Ю., Шмаков В.А. Механизмы и модели прямого лазерного наноструктурирования материалов // УФН. 2015. Т. 185. №5. С. 489-499.27. Khomich V.Yu., Shmakov V.A. Mechanisms and models of direct laser nanostructuring of materials // UFN. 2015. T. 185. No. 5. S. 489-499.
28. Патент RU 2404887, 2010, МКИ B23K 9/235, B23K 26/42, B23K 33/00.28. Patent RU 2404887, 2010, MKI B23K 9/235, B23K 26/42, B23K 33/00.
29. Патент RU 2466841, 2012, МКИ B23K 26/14, B23K 26/08, B23K 26/34, B23K 26/40.29. Patent RU 2466841, 2012, MKI B23K 26/14, B23K 26/08, B23K 26/34, B23K 26/40.
30. Вейко В.П. Технологические лазеры и лазерное излучение. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 52 с. 30. Veiko V.P. Technological lasers and laser radiation. SPb: SPbGU ITMO, 2007.52 p.
31. Kaybyshev О.А., Lutfullin R.Ya., Berdin V.K. The effect of superplastisity and solid state voidability of the titanium alloy Ti-4,5Al-3Mo-lV. Acta Metall. Mater., 1994, V. 42, No. 8, P. 2609-2615.31. Kaybyshev O.A., Lutfullin R. Ya., Berdin V.K. The effect of superplastisity and solid state voidability of the titanium alloy Ti-4,5Al-3Mo-lV. Acta Metall. Mater., 1994, V. 42, No. 8, P. 2609-2615.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020132973A RU2752822C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Method for welding parts made of heat-resistant nickel-based alloys using laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020132973A RU2752822C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Method for welding parts made of heat-resistant nickel-based alloys using laser radiation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2752822C1 true RU2752822C1 (en) | 2021-08-06 |
Family
ID=77226145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020132973A RU2752822C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Method for welding parts made of heat-resistant nickel-based alloys using laser radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2752822C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114799457A (en) * | 2022-05-26 | 2022-07-29 | 南京理工大学 | Low-temperature diffusion connection method based on femtosecond laser surface activation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030006217A1 (en) * | 2001-05-18 | 2003-01-09 | The Welding Institute | Surface modification |
| US20060163222A1 (en) * | 2002-09-30 | 2006-07-27 | Dance Bruce Guy I | Workpiece structure modification |
| RU2447012C1 (en) * | 2010-10-28 | 2012-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing steel nanostructured surface by laser-induced plasma processing |
| RU2466841C2 (en) * | 2008-05-29 | 2012-11-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Method and device for welding parts from heat-resistant alloys |
| RU2544892C1 (en) * | 2013-10-24 | 2015-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук | Method of producing micro- and nanostructures of surface of materials |
-
2020
- 2020-10-07 RU RU2020132973A patent/RU2752822C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030006217A1 (en) * | 2001-05-18 | 2003-01-09 | The Welding Institute | Surface modification |
| US20060163222A1 (en) * | 2002-09-30 | 2006-07-27 | Dance Bruce Guy I | Workpiece structure modification |
| RU2466841C2 (en) * | 2008-05-29 | 2012-11-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Method and device for welding parts from heat-resistant alloys |
| RU2447012C1 (en) * | 2010-10-28 | 2012-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing steel nanostructured surface by laser-induced plasma processing |
| RU2544892C1 (en) * | 2013-10-24 | 2015-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук | Method of producing micro- and nanostructures of surface of materials |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114799457A (en) * | 2022-05-26 | 2022-07-29 | 南京理工大学 | Low-temperature diffusion connection method based on femtosecond laser surface activation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu | Coaxial waterjet-assisted laser drilling of film cooling holes in turbine blades | |
| Ma et al. | Femtosecond laser ablation regimes in a single-crystal superalloy | |
| Majumdar et al. | Introduction to laser assisted fabrication of materials | |
| RU2752822C1 (en) | Method for welding parts made of heat-resistant nickel-based alloys using laser radiation | |
| Khomich et al. | The effect of preliminary laser surface treatment on the mechanical properties of a solid-phase compound of an iron-nickel alloy in diffusion welding | |
| Murzin et al. | Development of technologies of laser material processing with use of diffractive optics | |
| Khomich et al. | Preliminary laser treatment of materials for diffusion bonding in space and aviation technologies | |
| Du et al. | Laser micro-welding of stainless steel foil: Welding mode, microstructure and corrosion properties | |
| Liu et al. | Effect of synchronous gas cooling method on microstructure and mechanical properties of laser welded joint for Ti6Al4V titanium alloy | |
| Gupta et al. | Experimental investigation on microstructure and mechanical properties of laser-welded Nb-1% Zr-0.1% C alloy | |
| Lisiecki | Comparison of Titanium Metal Matrix Composite surface layers produced during laser gas nitriding of Ti6Al4V alloy by different types of lasers | |
| Malikov et al. | Effect of post-weld heat treatment on the microstructure, phase composition and mechanical properties of dissimilar Al-Mg-Li/Al-Cu-Li laser welded joints | |
| RU2752821C1 (en) | Method for obtaining nanostructured metal billet by laser treatment | |
| Bernatskyi et al. | Laser welding of stainless steel 321 in different welding positions | |
| Xue et al. | Optimization of microstructure and properties of laser sintered Ni30Cr25Al15Co15Mo5Ti5Y5 high-entropy alloy coatings via controlling plasma | |
| Malikov et al. | Influence of scandium on the microstructure and strength properties of the welded joint at the laser welding of aluminum-lithium alloys | |
| Song | Multi-scale microstructure characterization for improved understanding of microstructure-property relationship in additive manufacturing | |
| Khomich et al. | Heat Treatment of the Surface of the ChS57 Alloy with Powerful Nanosecond Ultraviolet Laser Pulses | |
| Narsimhachary | Effect of laser welding parameters on 6061 aluminium alloy | |
| Chowdhury et al. | Influence of weld parameters on weld regimes and vaporization rate in electron beam welding of Ti6Al4V alloy | |
| Zheleznov et al. | Deformation Processes at the Surface of a Nickel Alloy Subjected to Nanosecond Laser Pulses | |
| Zaguliaev et al. | Electron-ion-plasma Modification of a Hypoeutectoid Al-Si Alloy | |
| Grinenko et al. | Structural Features and Morphology of Surface Layers of AA2024 and AA5056 Aluminum Alloys During Plasma Cutting | |
| Kumar et al. | Experimental Study of Fiber Laser Weldments of 5 mm Thick Ti–6Al–4V Alloy | |
| Gong et al. | Laser-based Process Towards Advanced Manufacturing of Metal Alloys |