用于超合金结合的保持和冷却过程的制作方法
【专利摘要】公知的是，含有相对大量的Al和/或Ti的镍基超合金很难令人满意地被焊接。在增加超合金的Al和Ti含量以提高强度时，会急剧地降低部件的焊接能力。本发明的结论是，减少γ’相会提高焊接能力。描述了与焊接过程相结合地使用的逐步的、受控的加热和冷却过程，以减少所存在的γ’相并且由此提高焊接能力。
【专利说明】用于超合金结合的保持和冷却过程
[0001]要求优先权
[0002]本文是根据35 U.S.C § 111(a)提交的发明专利申请，并根据35 U.S.C § 119要求于2011年11月7日提交的临时专利申请61/556395的优先权。出于各种目的，前述临时专利申请的全部内容在此通过引用并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及超合金部件的修复或结合，且更具体地涉及镍基超合金部件的堆焊，且最具体地涉及包含相对大量的铝和/或钛的镍基超合金部件的焊接。
【背景技术】
[0004]超合金通常被认为是耐高温材料，即便在温度接近材料的熔点时所述超合金仍呈现出良好的抗机械和化学性能劣化。镍基超合金基于镍(Ni)并且通常含有大量的多种其它元素，其中例如铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、钴(Co)、钽(Ta)、碳(C)等。耐高温超合金早期被用于航空涡轮发动机中。由于较高的操作温度通常导致增加的燃料效率和降低的碳排放，这使得超合金在基于地面的涡轮系统中的使用也在增加。例如，参见由RogerC.Reed 著的《The Superalloys)) (Cambridge University Press, 2006),尤其参见第 I 章。出于各种目的，该文献的全部内容在此通过引用并入本文。
[0005]因而，随着超合金在更大数量的基于空中和地面的涡轮系统中被使用并在更高的温度下操作，增加数量的叶片导叶和其它部件经受开裂以及需要修复的其它形式的材料劣化。重要的是，对这种涡轮部件的修复被有效地执行，以得到修复后的部件，该修复后的部件具有与初始部件尽可能接近的性能。
[0006]超合金的经济上的重要性已经产生了在超合金的焊接和修复方面的大量研究。例如，参见由 J.N.Dupont、J.C.Lippold、Samuel D.Kiser 著的((Welding Metallurgy andWeldability of Nickel-Base Alloys)) (Jhon ffiley&Sons, 2009)，尤其参见第 4 章。出于各种目的，该文献的全部内容在此通过引用并入本文。
[0007]焊接是修复或结合镍基超合金部件的商业上重要的方法。然而，当向超合金中添加Al和/或Ti以提高部件的耐高温强度时，部件的焊接变得困难得多，所述部件通常会遭受到开裂或其它缺陷。因而，本领域中需要一种用于焊接镍基超合金部件、特别是含有相对大量的Al和/或Ti的镍基超合金部件的改进方法。
【发明内容】
[0008]本文描述的过程的一个目的是提供一种结合镍基超合金的过程，该过程通过加热并受控地逐步冷却结合区域以便在该过程的一个冷却和保持部分中产生不大于20%的Y ’相来实现。
[0009] 本文描述的过程在保持和冷却过程期间提供Al和Ti的元素分配，以从Al和Ti消耗Y并且提闻焊接能力。[0010]因此并且有利地，如下文详细说明的，根据本发明来实现这些和其它的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是根据Ti和Al含量而定的一些超合金的焊接能力的图形图示。
[0012]图2是根据本发明的一些实施例的保持和冷却过程的其他细节的图形图示，其中:
[0013]图2A是从N1-Al为二元相图的处于完全相平衡的元素分配；
[0014]图2B是由于分步冷却和保持过程而产生的TTT(时间-温度-相变)图形的转变；
[0015]图2C是在Al和Ti分配期间在每个保持温度下的焊接的预期应力释放；以及
[0016]图2D是由于分配而产生的合金247的成分向无裂纹区域的转变。
[0017]图3是根据本发明的一些实施例的用于执行保持和冷却过程的典型设备。
【具体实施方式】
[0018]除非另有声明，本文给出的所有百分比都是重量百分比。
[0019]将Ti和Al添加到镍基超合金以提高部件的耐高温强度，但付出的代价是显著地增加产生令人满意的焊接的困难。对影响镍基超合金的焊接能力的因素的更认真的研究使得本发明人得出的结论是，存在少于按重量计大约30%的量的Y ’相表明有利的焊接能力，大于大约60%的Y ’相表明没有焊接能力,在大约30%和大约60%之间的Y ’相值通常表明，焊接是困难且昂贵的。
[0020]总之，本文描述的焊接过程利用了借助于分步冷却和保持过程将Al和Ti进行元素分配为Y和Y’相。这以受控的方式从Al以及从Ti消耗Y相，并提高了焊接能力，这通常实现低重量百分比的Y’相。当在接头中应力释放Y的Al和Ti含量减少至可焊接的值时，分步冷却和保持过程终止并被替换为常规的焊接氩气冷却。
[0021]本发明的典型实施例使用两个热源。第一热源用于结合，其是常规的焊接过程。有利地是使用激光热源作为该第一热源，然而并不固有地排除其它的热源，其中例如电弧、放电、电子束、粒子束等。
[0022]第二热源用于该过程的保持和冷却部分并调节接头的等温保持温度，以在任何等温保持温度下从Y生成不大于大约30%的Y’。有利地使用激光热源作为该第二热源，然而并不固有地排除其他热源，其中例如感应加热、电子束、齒钨灯、红外加热等。
[0023]从可获得的热力学数据来计算Al和Ti的元素分配，该热力学数据允许在任何等温保持温度下形成至多为30%的Y’。从Y-Y ’系统的已知相变动力学计算出实现30%的Y ’所需的保持时间。
[0024]图1是根据其Al和Ti的含量(重量百分比)而定的典型超合金的可焊接区域的图形图示。位于线100上方的那些合金一般被认为是不可焊接的。对图1中合金的成分的更详细研究显示了，在线100上方列出的合金在其最终结构中具有大于60%的Y’相。对比而言，位于线101下方的超合金在其最终结构中具有小于20%的Y’相。因而，可以构想至IJ，预期具有小于大约20%的Y ’相的镍基超合金是可焊接的。
[0025]此处特别感兴趣的合金包括在图1中注出的那些合金。[0026]超合金从其熔化温度的冷却趋向于使所述超合金经历从Y相至Y +Y ’相的转变。本文描述的保持和冷却过程在完全热力学相平衡中使得Al和Ti被元素分配为Y和Y’相，以在保持和冷却过程期间的任何保持时间都产生不大于30%的Y’。这从Al和Ti消耗了 Y相并且将最终的Y成分移入可焊接区域，如图1所示。
[0027]图3示出了典型的结合系统，所述结合系统包括用于实现根据本发明的一些实施例的过程的保持和冷却能力。该设备通常包括用于进行焊接的热源201 (通常是激光，激光I)、以及用于将基体加热至预定温度的第二热源(通常是激光，激光2)。在结合位置接通激光I (201)之前或与此同时，在焊接之前执行焊接部位的加热。结合位置的初始预定温度有利地被选择成在大约2100华氏度以上。 [0028]图2是通过本保持和冷却过程的一些实施例来结合的典型的高强度镍基超合金的冶金反应的示意图。当完成了通过焊接激光201进行的结合操作时，图3的热源202是可操作的。对于图2所示的具体实例，在激光焊接过程和激光201关闭之后采用下面的过程:
[0029]a.在T1下保持1-3分钟。
[0030]b.冷却至T2并保持2-15分钟。产生少于30%的Y ’。
[0031]c.冷却至T3并保持2-30分钟。产生少于30%的Y ’。
[0032]d.冷却至T4并保持0.1至2小时。产生少于30%的Y ’。
[0033]…
[0034](根据需要或需要的话，其它步骤)
[0035]…
[0036]y.冷却至Tn并保持1-20小时(η = 120)。产生少于30%的Y ’。
[0037]Ζ.冷却至室温以产生最终为30%或少于30%的Y’。
[0038]在如图2所示的该过程中，通过元素分配从Al和Ti消耗Y，直至其最终的成分降低至图2D中的可焊接线100下方。在图2Α中用点T1-Tn示出了 Y的成分变化。图2Β和2C示出了在每个保持步骤之后由于在每个保持步骤中焊接的应力释放导致的冷却曲线以及应力-时间曲线中的预期转变。
[0039]期望的是，本文描述的总体保持和冷却过程可以用于经历热开裂及应变时效开裂的几乎任何的超合金。在该过程的保持部分期间Al和Ti的元素分配减少了产生应变时效开裂和热开裂的可能性。这种分配还明显降低了在后焊接热处理期间朝向应变时效开裂的趋势，这是因为在保持和冷却过程的每个步骤中从Al和Ti大致消耗了 Y并释放了应力。
[0040]尽管已经示出并且在本文详细地描述了包含本发明的教导的各种实施例，但是本领域技术人员仍然可以容易地设想到仍包含这些教导的许多其它不同的实施例。
【权利要求】
1.一种用于修复或结合镍基超合金部件的方法，所述方法包括: a)使用第一热源将焊接部位加热至大约2100华氏度以上的温度； b)在大约2100华氏度以上的温度下使用第二热源来焊接或激光熔覆所述镍基超合金部件； c)在完成所述焊接之后立即移走所述第二热源；以及 d)执行所述焊接部位的受控的分步的保持和冷却，从而在所述冷却过程的任何保持部分中形成不大于按重量计大约30%的Y ’相。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述镍基超合金部件的超合金选自包括713C、247、PW1480、MARM200、R77、PW1483、R80、U720、738、Rene80 和 NS 的组。
3.一种镍基超合金，所述镍基超合金在其中包括焊缝，其中所述焊缝通过以下过程来生成: a)在焊接之前，使用第一热源将焊接部位加热至大约2100华氏度以上的初始预定温度； b)使用第二热源来焊接所述镍基超合金部件； c)在完成所述焊接之后立即移走所述第二热源；和 d)执行所述焊接部位的受控分步冷却，从而在所述分步冷却和保持过程期间在任何保持温度下形成不大于按重量计大约30%的Y ’相。
4.一种超合金部件组件，所述超合金部件组件在其中具有通过权利要求3所述的过程形成的焊缝。
5.根据权利要求4的超合金部件组件，其中，所述部件组件包括涡轮叶片。
6.一种超合金部件组件，所述超合金部件组件是通过权利要求1所述的方法形成的。
7.根据权利要求6的超合金部件组件，其中，所述部件组件包括涡轮叶片。
【文档编号】B23K26/342GK103998172SQ201280054814
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年11月6日 优先权日:2011年11月7日
【发明者】K·奥兹贝萨尔, Z·A·M·阿布多, O·蒂莫廷, A·卡梅尔 申请人:西门子能源公司