[發(fā)明專利]熔焊高溫合金的沉淀強(qiáng)化的鎳基焊接材料

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201380074825.1
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN105163898A
• 公開（公告）日: 2015-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 亞歷山大·B·恭查洛夫;約瑟夫·利寶地;保羅·羅登
• 申請（專利權(quán)）人: 利寶地工程有限公司
• 主分類號: B23K35/24
• 分類號: B23K35/24;C22C30/00;B23P6/00;C22C19/05
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11204
• 代理人: 王達(dá)佐;安佳寧

本發(fā)明的材料可以焊絲和焊粉的形式用于沉淀強(qiáng)化鎳基和鈷基高溫合金的熔焊，所述熔焊包括激光焊(LBW)、等離子焊(PW)、微束等離子焊(MPW)、電子束焊(EBW)和氣體保護(hù)鎢極電弧焊(GTAW)。

美國專利3,615,376的沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金由以下組成：5-15wt.％的Co、13-15.6wt.％的Cr、2.5-5wt.％的Mo、3-6wt.％的W、4-6wt.％的Ti、2-4wt.％的Al、0.15-0.3wt.％的C、0.005-0.02wt.％的B、至多0.1wt.％的Zr以及余量的鎳和雜質(zhì)，在數(shù)十年中，該沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金廣泛用于渦輪發(fā)動機(jī)的應(yīng)用中。該高溫合金具有機(jī)械性能、高達(dá)1742°F的抗氧化性和可焊性的良好組合。該合金的實施方案也稱為René80高溫合金，其由9.5wt.％的Co、14wt.％的Cr、4wt.％的Mo、4wt.％的W、5wt.％的Ti、3wt.％的Al、0.17wt.％的C、0.015wt.％的B、0.03wt.％的Zr和余量的鎳組成并且為焊絲和焊粉形式，已用于Inconel738、GTD111、GTD222、René77多晶和CMSX-4、RenéN5和其他單晶材料的焊接。具有高含量γ’相(gammaprimephase)的沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金的焊接導(dǎo)致了嚴(yán)重的熱影響區(qū)(HAZ)液化開裂。凝固和熱應(yīng)力加劇了Inconel738高溫合金對液化開裂的敏感性，使得不可能在使用已知焊接材料的環(huán)境溫度下產(chǎn)生無裂紋焊點，參見M.Montazeri,F.MalekGhaini和O.A.Ojo的文章“HeatInputandtheLiquationCrackingofLaserWeldedIN738LCSuperalloy”,WeldingJournal,2013,Vo.92,2013,pp.:258–264。

根據(jù)US5,897,801和US6,659,332，為產(chǎn)生良好的無裂紋焊點，由Inconel738、GTD111和其他高γ’高溫合金制成的發(fā)動機(jī)組件應(yīng)在焊接前預(yù)加熱至高溫。然而，預(yù)加熱降低生產(chǎn)率、增加成本并且影響健康和安全狀況。

除上文之外，在焊接修復(fù)后，渦輪葉片趨于加速氧化，使渦輪葉片與定子組件之間的間隙變大，降低效率并且增加燃料消耗和溫室氣體排放。

為增加焊點的抗氧化性，具有錸的René142焊絲被引入工業(yè)，根據(jù)專利US4,169,742，其由以下組成：10-13wt.％的Co、3-10wt.％Cr、0.5-2wt.％的Mo、3-7wt.％的W、0.5-10wt.％的Re、5-6wt.％的Al、5-7wt.％的Ta、0.5-2wt.％的Hf、0.01-0.15wt.％的C、0.005-0.05wt.％的B、0-0.1wt.％的Zr和余量的鎳。然而，由于錸的成本高，因此René142焊絲非常昂貴。而且，由于René142合金對開裂的敏感性更高，因此與René80相比，使用René142焊絲產(chǎn)生的焊點的性質(zhì)對預(yù)加熱溫度甚至更加敏感。

為防止HAZ開裂，應(yīng)當(dāng)通過將發(fā)動機(jī)組件預(yù)加熱至高溫來使殘余應(yīng)力最小化(如US5,897,801和US6,659,332中所討論的)，或通過使用諸如硼的熔點抑制劑使焊接材料額外地合金化來降低焊接材料的熔化溫度以防止HAZ過熱(根據(jù)USRE29920和RE2868)。這些鎳基合金包含：0.05-0.3wt.％的B、至多0.35wt.％的C、5-22wt.％的Cr、分別至多8wt.％和至多3wt.％的Nb和余量的鎳。

然而，如實驗所發(fā)現(xiàn)的，量為至多0.3wt.％的硼不能避免Inconel738、GTD111和MarM247高溫合金在環(huán)境溫度下焊接時的HAZ微裂隙。除上述情況之外，硼還顯著地降低焊點的抗氧化性。

硅是另一種熟知的熔點抑制劑。Si已用于制造諸如HaynesHR-160(UNS編號N12160)的焊絲，該焊絲包含：Ni–29wt.％Co–28wt.％Cr–2wt.％Fe–2.75wt.％Si–0.5wt.％Mn–0.5wt.％Ti–0.05wt.％C–1wt.％W–1wt.％Mo–1wt.％Nb。使用HaynesHR-160焊絲產(chǎn)生的焊點具有優(yōu)良的抗氧化性。然而，在超過1800°F的溫度下，這些焊點的機(jī)械性能非常低。因此，由于對鎳基高溫合金的機(jī)械性能的不利效果，已經(jīng)不考慮將硅用于制造鎳基高溫合金。