专利名称：金属部件的硬钎焊方法
技术领域：
本发明涉及镍-金-磷硬钎焊的部件，比如高质量镍基超合金片状部件(喷气发动机的定子叶片)。本发明还涉及由镍-金-磷组成的三元硬钎焊合金，以及采用该三元硬钎焊合金将金属部件连接在一起的方法。
背景技术：
硬钎焊就是将硬钎焊合金插入部件比如金属的表面之间将部件结合在一起的方法。通常，在部件表面之间放置其液态点比待连接部件的熔点低的硬钎焊合金。随后，将这些部件形成的组件加热到足以使该硬钎焊合金熔融的温度，从而在冷却时可以形成坚固的、有延展性的并且抗腐蚀/氧化的组件。
有许多种金基硬钎焊合金，它们含有所需特定性能的特定金属添加剂。例如，金-镍合金具有良好的抗氧化性和高强度。这些硬钎焊合金特别适用于将金属部件比如涡轮发动机和喷气发动机、电子设备、汽车和船舶设备的部件连接在一起。
美国专利3658997公开了一种金基硬钎焊合金，用于制备珠宝制品、喷气发动机和高质量工程部件，它包括30-80wt％金、0.5-67.5wt％铜和2.0-12.0wt％镍。另外，该硬钎焊合金可以包括0.5-7.0wt％铬以及从痕量直到0.5wt％的硼。
美国专利3658997公开了一种液相线和固相线之间温度范围窄的镍-金基硬钎焊合金，这是采用了Cr、Fe、Si和B的组合来调节这个温度范围的结果。
美国专利3764307公开了金含量相对较低的镍-金基硬钎焊合金，其性质源于Au、Si和B在Ni基中的平衡。该合金的液相线低于约1900°F，用于连接将在高达约1400°F的温度范围操作的元件。
美国专利4726508公开了一种在真空炉中采用填料金属将抗腐蚀、镍基薄壁管硬钎焊到不锈钢基元件上而在硬钎焊后的管中不会出现应力腐蚀裂纹并且也没有碳淀析的方法，其中该薄壁管包括基本比例的镍、铬和钼，该填料金属主要包括作为主要成分的金和作为次要成分的镍。
美国专利4302515公开了一种用来硬钎焊不锈钢的硬钎焊箔，其组成基本上由0-约4原子％的铁、0-约21原子％的铬、0-约19原子％的硼、0-约12原子％的硅、0-约22原子％的磷和余量镍和附带的杂质组成。除了含有上述组成范围内的上述元素以外，该组成必须是铁、铬和镍的总含量为约76-84原子％，而且硼、硅和磷的总含量为约16-24原子％。
美国专利4764435公开了一种可用作硬钎焊材料将金属和非氧化物陶瓷相结合的金属组合物。该硬钎焊材料至少包含选自第一组过渡金属Pt、Pd、Rh、Ir、Ru和Os中的一种或多种以及第二组过渡金属Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu中的一种或多种。该材料还可以包含第三组元素B、C、Si和P中的一种或多种。
人们已经采用常规金-镍硬钎焊合金来将镍-铬基部件，比如Inconel部件(Inconel是一组耐蚀合金的商标)结合在一起。通常，采用金-镍基合金在高于1800°F的温度会将这些镍-铬基部件(超合金片状金属部件)结合在一起。这种高硬钎焊温度通常高得足以使部件的晶粒粗化，从而降低了其抗疲劳性。为了降低该硬钎焊合金的硬钎焊温度，采用了温度抑制剂，比如硅和/或硼。这些温度抑制剂并没有必然提供对液相线和固相线温度范围的积极控制以改善待连接部件的硬钎焊。另外，硼通常会渗入镍-铬基部件(比如喷气发动机的定子叶片)中，如果温度过高(大约1900°F)，部件的晶粒尺寸会粗化，从而使硼能够扩散到部件里从而进一步损坏部件的性能。
本发明的目标是提供性能和常规金-金属合金相同或更好的三元镍-金-磷硬钎焊合金。
本发明的另一目标是提供硬钎焊温度低于1830°F因而是用于镍-铬基超合金片状金属部件的理想材料的三元镍-金-磷硬钎焊合金。
本发明的另一目标是提供硬钎焊的金属制品，其中该制品用新型三元镍-金-磷硬钎焊合金硬钎焊。
本发明的另一目标是提供硬钎焊的超合金金属片状制品，其中该制品用三元镍-金-磷硬钎焊合金硬钎焊。
本发明的另一目标是提供采用新型三元镍-金-磷硬钎焊合金将金属部件硬钎焊在一起的方法，其中硬钎焊温度保持在该三元镍-金-磷硬钎焊合金的共晶温度以下40°F。
本发明的另一目标是提供采用新型三元镍-金-磷硬钎焊合金将超合金金属片硬钎焊在一起的方法，其中硬钎焊温度低于1830°F，优选比该三元镍-金-磷硬钎焊合金的共晶温度低100°F。
本发明的另一目标是提供经济、强度高、延展性好、抗腐蚀/氧化性好的新型三元镍-金-磷硬钎焊合金。
发明综述本发明涉及用新型三元镍-金-磷硬钎焊合金将金属部件硬钎焊到一起的方法，包括以下步骤(a)将三元镍-金-磷硬钎焊合金置于待连接的两个金属部件之间，所述硬钎焊合金由约20-约80wt％金、约1-约10wt％磷、余量镍和附带杂质组成；(b)将由所述三元镍-金-磷硬钎焊合金和所述金属部件形成的组件至少加热到该硬钎焊合金的共晶温度之上40°F但低于1830°F；冷却该组件从而有效制备坚固的单一组件。优选该三元镍-金-磷硬钎焊合金的组成基本上由约30-约60wt％的金、约2-约6wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成；最优选该硬钎焊合金基本上由约38-约42wt％的金、约2.5-约3.5wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成。该硬钎焊合金采用磷作为熔点抑制剂来降低二元镍-金合金体系的硬钎焊温度范围。在三元硬钎焊合金中加入不同比例的金，提高了该硬钎焊合金的延展性。镍硬钎焊合金中的磷的共晶温度是约1650°F，但不幸的是，在此共晶温度该硬钎焊合金容易变脆。所以，步骤(b)中加热三元硬钎焊合金和金属部件组件时，应该在该硬钎焊合金的共晶温度之上约40°F的温度。优选在步骤(b)中应该将组件加热到硬钎焊合金的共晶温度以上约100°F或者约1670°F～约1820°F。在本发明优选的三元镍-金-磷硬钎焊合金中，该合金在约1625°F～1630°F的温度范围熔融。
对于超合金镍-铬基金属部件，比如喷气发动机的Inconel X-750定子叶片而言，暴露在高硬钎焊温度下会导致该部件材料的晶粒粗化，从而导致在使用中由于高循环疲劳而失效。通过将硬钎焊温度设置在1830°F以下，优选为约1730°F-约1780°F，更优选为约1740°F-约1760°F，可以有效消除镍-铬基金属合金的晶粒生长。用于将镍-铬基部件连接在一起的本发明三元镍-金-磷硬钎焊合金不含硼，强度、延展性、抗腐蚀和抗氧化性好，并且能够有效控制该镍-铬基部件的冶金性能，包括晶粒生长。
实施例制备了“T”形304不锈钢试样，然后用本发明的三元镍-金-磷硬钎焊合金进行测试。将AWS(美国焊接协会)分类号Bau-4(82wt％Au-18wt％Ni)的金-镍合金和AWS Bni-6(10wt％P，余量是Ni)的镍-磷合金等重量混合，制成硬钎焊粉。所得混合物的计算标称组成是54Ni-41Au-5P(重量百分比)。
目的是在1750°F～1780°F的硬钎焊温度为该“T”形试样制备延展性的焊缝。本测试是为了在低硬钎焊温度下赋予镍-金合金延展性。熔融所述硬钎焊粉，得到均匀的镍-金-磷合金，而该合金是以浆料形式施加到“T”形试样上的。将“T”形试样和三元镍-金-磷硬钎焊合金置于真空炉中，在1750°F-1780°F之间的温度加热。“T”形试样测试结果表明当在1750°F-1780°F进行硬钎焊时该硬钎焊合金具有良好的润湿性。大致的定量测试结果表明硬钎焊焊缝具有延展性。
虽然描述了本发明的优选实施方案，但应该理解本发明不限于此，并且就本公开而言，各种其它可替换实施方案对本领域技术人员是显而易见的。所以，应该知道只要不偏离本发明特别提到和要求保护的范围，可以进行修改。例如，通过调整该三元合金的三种元素比例，可以得到具有各种熔融温度的一系列三元合金。这样就可以对各种不同应用调整硬钎焊温度。
权利要求
1.采用三元镍-金-磷硬钎焊合金将金属部件硬钎焊到一起的方法，包括以下步骤(a)将三元镍-金-磷硬钎焊合金置于待连接的两个金属部件之间，所述硬钎焊合金由约20-约80wt％金、约1-约10wt％磷、余量镍和附带杂质组成；(b)将由所述三元镍-金-磷硬钎焊合金和所述金属部件形成的组件加热到至少该硬钎焊合金的大约共晶温度，但低于1830°F；和(c)冷却该组件从而有效制备坚固的单一组件。
2.权利要求1的方法，其中步骤(a)中的所述三元镍-金-磷硬钎焊合金由(i)约30-约60wt％的金、约2-约6wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成；或者(ii)约38-约42wt％的金、约2.5-约3.5wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成。
3.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中，将所述组件加热到所述硬钎焊合金的共晶温度之上约40°F的温度，或者加热到约1670°F～约1820°F，或者加热到约1730°F～约1780°F。
4.权利要求1的方法，其中所述金属部件是镍-铬基部件。
5.硬钎焊的金属组件，所述组件已经采用三元镍-金-磷硬钎焊合金硬钎焊，所述三元合金由约20-约80wt％金、约1-约10wt％的磷、余量镍和附带杂质组成。
6.权利要求5的硬钎焊金属组件，其中所述三元镍-金-磷硬钎焊合金由约30-约60wt％的金、约2-约6wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成，或者(ii)由约38-约42wt％的金、约2.5-约3.5wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成。
7.权利要求5的硬钎焊金属组件，其中所述组件是定子叶片。
8.一种三元镍-金-磷硬钎焊合金，其由约20-约80wt％金、约1-约10wt％的磷、余量镍和附带杂质组成。
9.权利要求8的三元镍-金-磷硬钎焊合金，其中所述三元镍-金-磷硬钎焊合金由(i)约30-约60wt％的金、约2-约6wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成；或者(ii)约38-约42wt％的金、约2.5-约3.5wt％的磷、余量镍以及附带杂质组成。
10.权利要求8的三元镍-金-磷硬钎焊合金，其为粉末形式。
全文摘要
本发明涉及镍－金－磷硬钎焊部件，比如高质量镍基超合金片状部件(用于喷气发动机的定子叶片)。本发明还涉及由镍－金－磷组成的三元硬钎焊合金，以及采用该三元硬钎焊合金将金属部件连接在一起的方法。
文档编号C22C19/03GK1791508SQ200480013440
公开日2006年6月21日 申请日期2004年5月10日 优先权日2003年5月16日
发明者T·A·桑丁 申请人:普莱克斯S.T.技术有限公司