专利名称：具有元素粉末的焊料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于修理构件尤其是一种镍基、钴基和/或铁基超级合金构件的焊料，其中，该焊料具有一种由两种或更多种合金元素组成的合金作为其基础材料并具有至少一种低熔点物，该低熔点物在焊接时或在所述构件的使用期间与所述焊料中的至少一种杂质相成分合金元素构成杂质相。
背景技术：
焊料例如被用于将各构件相互连接起来或用于填充凹穴。例如当一个构件具有裂缝或孔隙时就是这样的情形。为此先要对其进行加工，然后用焊料来填充。这尤其发生在用于蒸汽和燃气轮机的透平机构件上。透平叶片只有在重新进行这样的处理后才可重新被采用。
所述焊料包含至少一种低熔点物，但这在焊接工艺中是不期望有的，因为它会形成所不期望有的杂质相，这会导致构件的基质材料的延展性降低。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种可克服上述问题的焊料。
上述技术问题通过一种用于修理构件尤其是一种镍基、钴基和/或铁基超级合金构件的焊料来解决，该焊料具有一种由两种或更多种合金元素组成的合金作为其基础材料并具有至少一种低熔点物，该低熔点物在焊接时或在所述构件的使用期间与所述焊料中的至少一种杂质相成分合金元素构成杂质相，按照本发明，在所述焊料中的至少一种杂质相成分合金元素至少部分作为元素金属添加粉。
按照本发明的一扩展设计，所述焊料可以是镍基焊料或钴基焊料。在此，所述焊料可至少含有铬作为合金元素和/或至少含有铝作为合金元素和/或至少含有钽作为合金元素和/或至少含有钨作为合金元素。
按照本发明的另一扩展设计，所述焊料中可含有仅仅一种低熔点物或者两种低熔点物。其中，所述至少一种低熔点物可以是硼和/或硅。
按照本发明的又一扩展设计，所述杂质相成分合金元素是钨和/或铬。比较有利的是，所述至少一种杂质相成分合金元素尤其是钨和/或铬以粉末形式存在，其重量百分比在1％至4％之间。
按照本发明的再一扩展设计，所述添加粉完全或部分以纳米级颗粒粉末的形式存在，其颗粒尺寸小于500纳米或小于300纳米或小于100纳米。
比较有利的是，向现有技术中已知的一种焊料中附加地添加至少一种粉末形式的杂质相成分合金元素。按照进一步的设计，这样改变现有技术中已知的一种焊料的化学计量组成成分，即，通过添加所述至少一种粉末形式的杂质相成分合金元素重新建立现有技术焊料的化学计量组成成分。在此，所述焊料中的合金基础材料可同样以粉末形式存在。
按照本发明的一有利的扩展设计，所述焊料由重量百分比为23％的铬、3.5％的钽、10％的镍、7％的钨、0.5％的锆、0.2％的钛、0.1％的锰、0.4％的硅、0.6％的碳、3％的硼、1.5％的铁和其余的为钴组成。
按照本发明的另一有利的扩展设计，所述焊料由重量百分比为20％的铬、20％的钴、3％的硼、3％的钽、其余的为镍组成。
按照本发明的又一有利的扩展设计，所述焊料由重量百分比为14％的铬、10％的钴、2.7％的硼、2.5％的钽、3.5％的铝、其余的为镍组成。
按照本发明的再一有利的扩展设计，所述焊料由重量百分比为21％的镍、22％的铬、2％的硼、3.5％的钽、其余的为钴组成。
所述低熔点物可以粉末形式存在。
下面借助于附图详细阐述本发明的一种实施方式。附图中图1和2表示一种焊料；图3是关于超级合金组成成分的列表；图4-5表示采用按照本发明的焊料可处理的构件；图6表示一台燃气轮机。
具体实施例方式
用本发明的焊料来处理尤其修理的构件例如由镍基、钴基和/或铁基超级合金制成。这一点如图3所示。但是也可用按照本发明的焊料来处理用其他合金或金属制成的构件。
这样的构件例如是一台燃气轮机的透平叶片120，130(参见图4)或热屏元件155(参见图5)或壳体部件138(参见图6)。
即便在制造新的这种构件时也必须将在铸造过程中产生的凹穴填满，尽管没有裂缝产生。焊料因此不仅仅用于修复构件在运行使用后的受损部位。
焊料是一种由多种合金元素组成的金属合金并含有至少一种低熔点物。按照本发明的焊料也可以是由两种合金元素组成的合金。
例如可采用一种公知的超级合金(例如参见图3)来作为焊料，但其中要采用至少一种低熔点物诸如硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铪(Hf)或钛(Ti)，由此使得焊料可在一个比超级合金的熔点更低的温度时融化并与构件的材料结合。优选采用一种或两种低熔点物或者B或者Si或者B和Si。
焊料中的至少一种合金元素，一种杂质相成分合金元素在焊接过程中与所述至少一种低熔点物构成杂质相，按照本发明，这至少一种杂质相成分合金元素至少部分作为粉末形式的添加粉，尤其作为纳米级颗粒粉存在。
图1和2示出这样一种焊料。该焊料全部也就是说其基础材料也优选为粉末形式并具有许多颗粒。大多数颗粒由例如一种合金Me1xMe2yMe3z或Me1xMe2yMe3zMe4w-a组成(这两者可理解成基础材料)。
一些颗粒Me4由杂质相成分合金元素构成，并按照本发明以元素金属形式作为添加粉存在。所述至少一种低熔点物以粉末形式存在。
纳米级粉末可以理解成颗粒尺寸小于500纳米、尤其小于300纳米或100纳米的粉末。
所述添加粉末的颗粒尺寸优选在300纳米和500纳米之间、在100纳米和500纳米之间或优选在100纳米和300纳米之间。
焊料的基础合金具有至少两种合金元素，其中的一种构成基体。一种合金元素与添加到合金中的低熔点物在焊接时或当应用在高温条件下时构成一种杂质相。该杂质相例如易脆并且绝对会使机械特性变糟。这种合金元素也被称为杂质相成分元素。
在此，形成合金基体的元素以及其他合金成分都可与所述低熔点物一起构成一种杂质相。
所述焊料的基础材料优选由至少两种、三种或更多种合金元素组成，并且所述杂质相成分合金元素通常不构成焊料的基体。
所述焊料按基体来划分可以是镍基、钴基或铁基焊料并具有由铬、镍、钴、铝、钨、钽、锆、钛、锰、碳或铁组成的元素组中选出的至少一种元素。
实施例现有技术中已知的铁基、镍基或钴基超级合金例如至少具有以下合金元素钨、铬、镍、铝、钽且以镍或钴为基，并具有例如硼作为唯一的一种低熔点物。硼与所述杂质相成分合金元素钨和铬构成硼化物。因此，将所述杂质相成分合金元素钨和/或铬至少部分以粉末形式添加到公知的焊料中。在此，所述颗粒优选以纳米粉末的形式存在。优选仅仅采用铬作为添加粉末。
按照现有技术的焊料例如具有以下的总公式Me1xMe2yMe3zMe4w。按照本发明的焊料(参见图1)可以描述成Me1xMe2yMe3z+wMe4(Me4＝杂质相成分合金元素)。
整个焊料当然可以粉末形式存在，其中，该焊料的基础材料中的各颗粒构成一种合金，所述杂质相成分合金元素作为粉末掺混到焊料亦即焊料的基础粉末中。
按照一种公知的焊料组成成分，其中的杂质相成分合金元素的含量在其与低熔点物经过焊接过程形成所不期望的杂质相后会降低(低计量的焊料)，此后通过添加元素粉末又重新恢复杂质相成分合金元素的应有含量(参见图2)焊料(现有技术)Me1xMe2yMe3zMe4w焊料(新)＝Me1xMe2yMe3zMe4w-a+aMe4现有技术中的一种钴基合金焊料例如由重量百分比为23％的铬、3.5％的钽、10％的镍、7％的钨、0.5％的锆、0.2％的钛、0.1％的锰、0.4％的硅、0.6％的碳、3％的硼、1.5％的铁和其余的为钴组成。添加粉末的重量百分比含量可为1％、2％、3％或4％。同样有利的是，其重量百分比含量在1％和3％之间、在2％和4％之间、1％和2％之间、2％和3％之间或3％和4％之间。
由于在这种焊料中采用了硼作为低熔点物，而硼与杂质相成分合金元素铬和钨会形成硼化物，因此，向上述粉末中添加重量百分比在1％至4％之间的杂质相成分合金元素亦即例如铬和/或钨。
作为上述方案的替代选择方案，也可降低上述钴基合金焊料中或另一种现有技术中已知的合金焊料中的钨和铬的含量(低化学计量的焊料)，然后，通过以元素粉末的形式添加钨和/或钴来重新恢复原始的化学计量成分。
所述焊料可以膏状或以条带形式或另一种形式来敷设。
关于焊料(总的组成成分)的其他实施例是重量百分比为20％的铬、20％的钴、3％的硼、3％的钽、其余的为镍组成；或者重量百分比为13.5％的铬、9.5％的钴、2.5％的硼、3％的钽、4％的铝、其余的为镍组成；或者重量百分比为14％的铬、10％的钴、2.7％的硼、2.5％的钽、3.5％的铝、其余的为镍组成；或者重量百分比为21％的镍、22％的铬、2％的硼、3.5％的钽、其余的为钴组成；或者重量百分比为15％的铬、3.5％的硼、其余的为镍组成；或者重量百分比为9％的铬、8％的钴、3％的硼、2％的铝、其余的为镍组成。
通过本发明的焊料可更加均匀和精细地分配析出，尤其是在采用精细颗粒的粉末或纳米级粉末时，由此可将析出的负面影响减弱到较少被注意到。
尤其在采用纳米级粉末时会产生很多但许多都是很小的析出现象(＝缺陷)。由于形成裂纹的倾向是随着缺陷尺寸的增大而增大，因此，此时形成裂纹的倾向就降低了。
此外，低熔点物的浓度局部下降，由此低熔点物可能不再形成析出，而是溶解在基体的晶格中并因此仅仅形成一种小的晶格畸变。
图4用透视图表示流体机械的工作叶片120或导向叶片130，它沿纵轴线121延伸。
此流体机械可以是飞机或发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿纵轴线121彼此相继地有固定区400、与之邻接的叶片平台403以及叶身406。
作为导向叶片130，叶片130在其叶片顶端415有另一个平台(未表示)。
在固定区400构成一个叶根183，它用于将工作叶片120、130固定在一轴或一轮盘上(未表示)。叶根183例如设计为锤头。也可以不同地设计为纵树形或燕尾形叶根。
叶片120、130对于流过叶身406的介质而言有流入边409和流出边412。
在传统的叶片120、130中，叶片120、130的所有区域400、403、406采用例如实心金属材料，尤其超级高温合金。
例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这种超级高温合金；这些文件所涉及的合金的化学成分是本申请公开内容的一部分。
在这里，叶片120、130可以通过借助定向凝固的铸造法、锻造法、铣削法或这些方法的组合来制造。
具有单晶结构的工件用作这些机器的构件，即它们在工作时遭受高的机械、热和/或化学负荷。
生产这种单晶体工件例如通过熔体的定向凝固进行。在这里涉及铸造方法，其中，液态的金属合金定向凝固为单晶结构，亦即单晶工件。在这里树枝状晶体沿热流定向，以及或构成条状晶体结构(柱状，亦即晶粒沿工件的全长延伸，以及在这里按通常的习惯用语称为定向凝固)，或构成单晶结构，亦即整个工件由单个晶体组成。在此方法中人们必须避免向球状(多晶体)凝固过渡，因为通过不定向生长必然构成横向和纵向晶界，它们会使定向凝固的或单晶的构件良好的性质消失。
若一般地谈论定向凝固组织，则既指单晶体，它们没有晶界或至多有小角度晶界，也指条状晶体结构，它们一定有沿纵向延伸的晶界，但没有横向的晶界。对于第二种提到的晶体结构，人们也称定向凝固结构(directionally solidified structures)。
由US-PS 6024792和EP 0892090A1已知这些方法；这些文件是本申请公开内容的一部分。
同样，叶片120、130可以有防腐蚀或防氧化的涂层，例如MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)组中的至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf)。由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1已知这些合金，它们所涉及的合金化学成分应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在一个隔热层以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO3组成，也就是说它没有、部分或完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。通过适当的涂层方法，例如电子束蒸镀(EB-PVD)，在隔热层内产生条状晶粒。
再加工(整修)的意思是，构件120、130在其使用后必要时必须除去保护层(例如通过喷砂)。之后进行去除腐蚀层和/或氧化层或氧化产物。必要时还要用按照本发明的焊料修理在构件120、130中尚存的裂纹。然后进行构件120、130的再涂层和重新使用构件120、130。
叶片120、130可设计为空心或实心。当叶片120、130应冷却时，它是空心的以及必要时还有气膜冷却孔418(虚线所示)。
图5表示一台燃气轮机100(图中未示出)的燃烧室110。该燃烧室110例如设计为所谓环形燃烧室，其中许多沿周向围绕旋转轴线102排列的燃烧器107汇入一个公共的燃烧室内腔154中产生火焰156。为此，燃烧室110在其总体上设计为环形结构，它围绕旋转轴线102定位。
为了达到比较高的效率，燃烧室110针对约1000℃至1600℃这样比较高温度的工质M设计。为了即使在这种对于材料不利的工作参数条件下仍能有较长的工作寿命，燃烧室壁153在其面朝工质M那一侧设一种由热屏元件155构成的内衬。
每个由一种合金制成的热屏元件155在工质侧配备有特别耐热的护层(MCrAlX层和/或陶瓷层)或用耐高温的材料(实心的陶瓷砖)制成。
所述护层的材料可类似于涡轮叶片120、130的涂层，亦即例如是MCrAlXM是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)组中至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1已知这种合金，它们所涉及的化学成分应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在一个例如陶瓷隔热层以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2组成，也就是说它没有、部分或完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。
通过适用的涂层方法，例如电子束蒸镀(EB-PVD)，在隔热层内产生条状晶粒。
再加工(整修)的意思是，热屏元件155在其使用后必要时必须除去保护层(例如通过喷砂)。之后进行去除腐蚀层和/或氧化层或氧化产物。必要时还要用按照本发明的焊料修理在热屏元件155尚存的裂纹。然后进行热屏元件155的再涂层和重新使用热屏元件155。
此外，由于在燃烧室110内部高的温度，可以为热屏元件155或它们的固定件设一冷却系统。热屏元件155例如可设计为空心并且必要时具有通入到燃烧腔室154中的气膜冷却孔(图中未表示)。
图6用纵向局部剖视图举例表示燃气轮机100。
燃气轮机100在内部有一个可绕旋转轴线102旋转地支承的有一轴101的转子103，它也称涡轮转子。沿转子103彼此相继地有进气机匣104、压气机105、例如花托状燃烧室110，尤其是环形燃烧室，包括多个同轴布置的燃烧器107、涡轮108和排气机匣109。
环形燃烧室110与例如环形的热燃气通道111连通。在那里例如四个前后串联的涡轮级112构成所述的涡轮108。
每个涡轮级112例如由两个叶片环构成。沿工质113的流动方向看，在热燃气通道111内导向叶片排115的后面有一个由工作叶片120构成的叶排125。
导向叶片130固定在定子143的内机匣138上，反之，一个叶排125的工作叶片120例如借助涡轮盘133装在转子103上。在转子103上连接有一发电机或作功机械(未表示)。
在燃气轮机100运行时，空气135被压气机105通过进气机匣104吸入并压缩。将在压气机105的涡轮一侧的端部制备的压缩空气供给燃烧器107，以及在那里与燃料混合。此混合物然后在燃烧室110内燃烧形成工质113。从那里出发，工质113沿热燃气通道111在导向叶片130和工作叶片120上流过。工质113在工作叶片120上膨胀作功和传递冲量，所以工作叶片120驱动转子103以及转子驱动与之连接的作功机械。
在燃气轮机100运行期间，遭遇热工质113的构件承受热负荷。除了砌衬在环形燃烧室110内的热屏元件外，沿工质113流动方向看的第一涡轮级112的导向叶片130和工作叶片120承受的热负荷最大。
为了能承受住在那里存在的温度，它们可以借助冷却剂冷却。
这些构件的基质层同样可以有定向结构，亦即是单晶体(SX结构)，或只有纵向晶粒(DS结构)。
作为构件，尤其涡轮叶片120、130，以及燃烧室110构件用的材料，例如采用铁基、镍基或钴基超级高温合金。例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这种超级高温合金；这些文件所涉及的合金的化学成分是本申请公开内容的一部分。
叶片120、130同样可以有防腐蚀的涂层(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)组中至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪)。由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1已知这种合金，它们所涉及的化学成分应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在一个隔热层以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2组成，也就是说它没有、部分或完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。通过适用的涂层方法，例如电子束蒸镀(EB-PVD)，在隔热层内产生条状晶粒。
导向叶片130有一个面朝涡轮108内机匣138的导向叶片叶根(这里没有表示)和一个与导向叶片叶根对置的导向叶片端部。导向叶片端部面朝转子103以及固定在定子143的一固定环140上。
权利要求
1.一种用于修理构件尤其是一种镍基、钴基和/或铁基超级合金构件的焊料，其中，该焊料具有一种由两种或更多种合金元素组成的合金作为其基础材料并具有至少一种低熔点物，该低熔点物在焊接时或在所述构件的使用期间与所述焊料中的至少一种杂质相成分合金元素构成杂质相，其特征在于，在所述焊料中的至少一种杂质相成分合金元素至少部分作为元素金属添加粉。
2.按照权利要求1所述的焊料，其特征在于，所述焊料是镍基焊料。
3.按照权利要求1所述的焊料，其特征在于，所述焊料是钴基焊料。
4.按照权利要求1或2或3所述的焊料，其特征在于，所述焊料至少含有铬作为合金元素。
5.按照权利要求1，2，3或4所述的焊料，其特征在于，所述焊料至少含有铝作为合金元素。
6.按照权利要求1，2，3，4或5所述的焊料，其特征在于，所述焊料至少含有钽作为合金元素。
7.按照权利要求1，2，3，4，5或6所述的焊料，其特征在于，所述焊料至少含有钨作为合金元素。
8.按照权利要求1至7中任一项或多项所述的焊料，其特征在于，所述焊料含有仅仅一种低熔点物。
9.按照权利要求1至8中任一项或多项所述的焊料，其特征在于，所述焊料含有两种低熔点物。
10.按照权利要求1，8或9所述的焊料，其特征在于，所述至少一种低熔点物是硼。
11.按照权利要求1，8，9或10所述的焊料，其特征在于，所述至少一种低熔点物是硅。
12.按照权利要求1，4或7所述的焊料，其特征在于，所述杂质相成分合金元素是钨和/或铬。
13.按照权利要求1，4或12所述的焊料，其特征在于，所述杂质相成分合金元素是铬。
14.按照权利要求1，12或13所述的焊料，其特征在于，所述至少一种杂质相成分合金元素尤其是钨和/或铬以粉末形式存在，其重量百分比在1％至4％之间。
15.按照权利要求1所述的焊料，其特征在于，所述添加粉完全或部分以纳米级颗粒粉末的形式存在，其颗粒尺寸小于500纳米或小于300纳米或小于100纳米。
16.按照权利要求1至15中一项或多项所述的焊料，其特征在于，向现有技术中已知的一种焊料中附加地添加至少一种粉末形式的杂质相成分合金元素。
17.按照权利要求1至16中一项或多项所述的焊料，其特征在于，这样改变现有技术中已知的一种焊料的化学计量组成成分，即，通过添加所述至少一种粉末形式的杂质相成分合金元素重新建立现有技术焊料的化学计量组成成分。
18.按照权利要求1，16或17所述的焊料，其特征在于，所述焊料中的合金基础材料同样以粉末形式存在。
19.按照上述任一项或多项权利要求所述的焊料，其特征在于，所述焊料由重量百分比为23％的铬、3.5％的钽、10％的镍、7％的钨、0.5％的锆、0.2％的钛、0.1％的锰、0.4％的硅、0.6％的碳、3％的硼、1.5％的铁和其余的为钴组成。
20.按照上述任一项或多项权利要求所述的焊料，其特征在于，所述焊料由重量百分比为20％的铬、20％的钴、3％的硼、3％的钽、其余的为镍组成。
21.按照上述任一项或多项权利要求所述的焊料，其特征在于，所述焊料由重量百分比为14％的铬、10％的钴、2.7％的硼、2.5％的钽、3.5％的铝、其余的为镍组成。
22.按照上述任一项或多项权利要求所述的焊料，其特征在于，所述焊料由重量百分比为21％的镍、22％的铬、2％的硼、3.5％的钽、其余的为钴组成。
23.按照权利要求1，8，9，10，11，19，20，21或22所述的焊料，其特征在于，所述低熔点物以粉末形式存在。
全文摘要
本发明公开了一种具有元素粉末的焊料，焊料中包含有至少一种低熔点物，但该低熔点物却会导致其上涂敷有焊料的构件的特性变糟。为此，本发明提供一种与现有技术中的焊料有相同或近似组成成分的焊料。但按照本发明，至少部分以粉末形式添加有可与低熔点物结合的元素。
文档编号B23K35/30GK1853843SQ20061007528
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月18日 优先权日2005年4月28日
发明者帕特里夏·贝齐拉, 迈克尔·奥特 申请人:西门子公司